Les chaudières à condensationfrancismerck.free.fr/Pdf/Viessmann-chaudiere... · 2005. 3. 20. ·...

La condensation, la solution pour leséconomies et le respect de l’environnement

Dossier technique

Les chaudières à condensation

1725 • chaudières cond. 20/01/04 11:35 Page 1

Les bases

2

Les bases

La condensation est une techniqueefficace de transformation du gaznaturel en chaleur utile au travers dela combustion. Comme la techniquede la basse température, elle permetà la chaudière de ne fonctionner qu’à la température nécessaire pourcouvrir les besoins calorifiques dubâtiment à chauffer.

Alors que les chaudières basse température obligent à éviter toute condensation des produits de la combustion et donc toutehumidification des surfaces d’échange, les chaudières à condensation permettent aux produits de la combustion de se condenser afin de pouvoir utilisersous forme de chaleur sensible lachaleur latente contenue dans lavapeur d’eau des fumées. De plus, la quantité de chaleur résiduelle évacuée par la cheminée est considérablement réduite puisqu’ilest possible d’abaisser considérable-ment la température des fumées par rapport aux chaudières bassetempérature.

La combustion du fioul ou du gaznaturel, composée pour l’essentielde carbone (C) et d’hydrogène (H),produits par réaction avec l’oxygènede l’air (O2) du gaz carbonique (CO2)et de la vapeur d'eau (H2O).

Pour le gaz naturel (méthane CH4), laformule simplifiée de combustion estla suivante :

CH4 + 2 O2 -> CO2 + 2 H2O + chaleur.

Si la température des parois des surfaces d’échange côté gaz dechauffe chute en dessous du point derosée de la vapeur d’eau, la vapeurd’eau contenue dans les gaz dechauffe se condense.

2%

11%

98%

109%

Fig. 2 : Les chaudières à condensation atteignent un rendement global annuel allant jusqu’à 109 %sur PCI en puisant de la chaleur supplémentaire surles fumées (gaz naturel)

100% 111%

100%

110%

109%

100%

96%

Chaleur contenue dans la vapeur d’eau

Déperditions par les fumées 3%

Déperditions par les surfaces 1%

Pouvoir calorifiquesupérieur

Pouvoir calorifiqueinférieur

Pouvoir calorifiquesupérieur

Pouvoir calorifiqueinférieur

97%

Chaudière bassetempérature

Chaudière gaz à condensation

1%

1%

Fig. 1 : Comparatif des pertes des chaudières basse température et à condensation (gaz naturel)

CH4

O2

O2

CO2

H2O

H2O

Fig. 3 : Chaleur récupérée des gaz de chauffe (gaz naturel)


3

Les différences de compositions chimiques du gaz naturel et du fioulinduisent des températures de roséede la vapeur d’eau dans les fuméesdifférentes. Dans la zone quasi-stoé-chiométrique, la température de rosée de la vapeur d’eau est de 57°Cenviron pour le gaz naturel et de47°C environ pour le fioul domestique (fig. 4).Le gain théorique de chaleur par rapport aux chaudières basse tempé-rature est de 11 % pour le gaz naturel.Dans le cas du fioul domestique, ilserait possible de récupérer jusqu’à 6 %.

Pouvoir calorifique inférieur et pouvoir calorifique supérieur

Le pouvoir calorifique inférieur (PCI)est la chaleur dégagée lors de lacombustion totale d'un combustiblesi l'eau formée est à l'état de vapeur.

Le pouvoir calorifique supérieur(PCS) est la chaleur dégagée lors dela combustion totale d'un combustible,y compris la chaleur de vaporisationcontenue dans la vapeur d'eau desgaz de chauffe. Le tableau 1 récapi-tule les principales propriétés descombustibles relatives à la condensation.

Autrefois, il était impossible de récu-pérer la chaleur latente de vaporisa-tion de l’eau car les techniques decondensation n’existaient pas encore.Pour tous les calculs de rendement,le pouvoir calorifique inférieur (PCI) a de ce fait, été pris comme grandeurde référence. La récupération de lachaleur latente permet donc d'atteindre un rendement qui curieusement dépasse les 100 %.

Dans le domaine du chauffage, les directives continuent à rapporterles rendements au PCI.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

25

30

35

40

45

50

55

60

Teneur en CO2 [% vol]

Tem

pér

atu

re d

e ro

sée

de

la v

apeu

r d

’eau

[°C

]

Gaz naturel(95% de CH4)

Fioul domestique

47

57

Fig. 4 :Température de rosée de la vapeur d’eau

Pouvoir Pouvoir PCS/PCI PCS - PCI Quantité calorifique calorifique théorique desupérieur inférieur condensatsPCS PCI (kg/unité)kWh/unité kWh/unité

Gaz naturel Ei 10,3 9,3 1,11 1,11 1,53Gaz naturel Es 11,3 10,2 1,11 1,11 1,63Propane 13,9 12,8 1,08 1,10 1,77fiouldomestique 10,7 10,1 1,06 0,6 0,88

Unités : gaz naturels en m3 ; propane en kg ; fioul domestique en litre

Tab. 1 : Pouvoir calorifique des combustibles


4

Les paramètres influant sur la condensation

Les paramètres influant sur la condensation

La quantité d’énergie gagnée par une chaudière à condensation parrapport à une chaudière basse température n’est pas exclusivementdûe à la récupération de la chaleurlatente, mais, pour une part notable,à des pertes par les fumées réduites,résultant de températures de fuméesplus faibles.

Une appréciation énergétique de base sera effectuée d’après le rendement de chaudière

Rendement de chaudière ηCdes chaudières à condensation

Paramètres influents

ϑF -> Température des fumées deschaudières à condensationpas de limitation

CO2 -> Teneur en CO2La qualité de la combustionest fonction de la concep-tion du brûleur

α -> Le coefficient de condensa-tion est fonction de la conception de la chaudièreet de l’installation (dimensionnement)

faible par rapport à une chaudièrebasse température, par exemple,réduit également les pertes par lesfumées. C’est-à-dire que le meilleurrendement des chaudières à conden-sation résulte non seulement du gainde chaleur latente, mais encore depertes par les fumées plus faibles.

qF + qR PCS - PCIηK = 1 – ––––––– + ––––––– • α100 PCI

sensible latente (part dela condensation)

A1qF = ( ϑF – ϑA ) + ( –––– + B )CO2

V Quantité de condensats (mesurée)α = ––––––––––––––––––––––––––––

V Quantité de condensats (théorique)(voir tableau 1)

•

Fioul domestique Gaz naturel Propane et air propané

A1 0,5 0,32 0,42A2 0,68 0,66 0,63B 0,007 0,009 0,008

Tab. 2 : Coefficients combustible

Légende

ηC = Rendement de chaudière [%]ϑF = Température des fumées [°C]ϑA = Température de l’air [°C]A1 = Coefficient combustible

B = Coefficient combustible

CO2 = Teneur en gaz carbonique [%]

qf = Pertes par les fumées [%]

qR = Pertes par rayonnement

α = Coefficient de condensats

Par rapport à une chaudière tradition-nelle, la formule du rendement dechaudière est augmentée de la partde condensation. La part de condensation est déterminée par lePCS, le PCI et la variable α, coeffi-cient de condensation. Ce coefficientest le rapport entre la quantité de condensats effectivement formés àl’intérieur d’une chaudière à conden-sation et la quantité théorique decondensats possible.

Plus la quantité de condensats effectivement formés est importante,plus la chaudière à condensation est performante.

Plus la température des fumées estbasse, plus la quantité de condensatsformés et le coefficient de condensa-tion α sont élevés. En même temps,une température des fumées plus

Fig. 5 : Chaudière murale gaz àcondensation Vitodens 200 àsurfaces d’échange radialeset brûleur MatriX-compact,puissance nominale :de 6,6 à 66,3 kW

•


5

Le rendement global

00

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280

–15

–12

–9

–6

–3

0

3

6

9

12

15Ch

arg

e re

lati

ve d

e la

ch

aud

ière

[%

]

Jours de chauffe

Tem

pér

atu

re e

xtér

ieu

re [

°C]

63

48

39

30

13

24,5 32,2 39,5 50,5 119,7

Fig. 6 : Détermination du rendement global annuel

Le rendement global

La norme allemande DIN 4702-8 metà disposition une procédure d’essaispermettant, sur la base d’un programme d’essais normalisé, de mesurer les rendements de génération à des charges partiellesdéfinies. Les cinq rendements decharge partielle mesurés serventensuite à calculer le rendement global annuel. Nous disposons doncd’un critère précis de comparaisondes rendements annuels des différents types de chaudières. Ces rendements annuels ne sont niplus ni moins que le rapport entre la quantité de chaleur utile fourniechaque année et la quantité de cha-leur alimentant le générateur (rap-portée au PCI du combustible).

Pour la région Est de la France parexemple, il a été défini par rapport à untravail annuel de chauffage cinq niveauxde charge qui sont représentés fig. 6.Chaque niveau de charge représente lamême quantité de chaleur fournie (sur-face sur le graphique).

Le rendement global annuel est déterminé en faisant la moyenne des 5 rendements mesurés en chargepartielle. Les valeurs ainsi obtenuesreflètent parfaitement le fonctionne-ment réel des chaudières.

Une chaudière est dimensionnée demanière à couvrir totalement lesbesoins calorifiques rencontréslorsque la température extérieure estla plus basse. Les températures dedimensionnement pour la France,appelées températures extérieures debase, vont de 0 à -15°C. Toutefois,des températures aussi basses ne serencontrent que rarement. La chau-dière ne doit donc fournir sa pleinepuissance que quelques jours dansl’année. Le reste du temps, seulesdes fractions de la puissance nomi-nale sont nécessaires. Sur une année,l’essentiel de la chaleur nécessairepour le chauffage concerne des tem-pératures positives (de 0 à 5°C).

20 15 10 5 0 – 5 – 10 – 15

20

30

40

50

60

70

Tem

pér

atu

re d

u c

hau

ffag

e [°

C]

Température extérieure [°C]

80

90

Température de départ

Température de retour

Tra

vail

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chau

ffag

e [%

]

20

30

40

50

60

70

80

90

10

0

10

07%

22% 21%

9% 6%

35%

Installation 75/60°C

Fig. 7 : Parts de travail de chauffage en fonction de la température extérieure(zone climatique H1)


6

Il en résulte que la charge moyennedes chaudières sur une année est voisine de 30 %. La fig. 8 représenteune comparaison des rendements en charge partielle et en particulier à des charges faibles.

L’avantage de la condensation appa-raît nettement à ces charges faibles :la chaudière fonctionnant à tempéra-ture d’eau constante induit desdéperditions considérables au fur età mesure que sa charge diminue puisque, même si la température duchauffage demandée est plus faible,la température d’eau de chaudièredoit être impérativement maintenueà un niveau élevé. La part des déperditions par rayonnement dansla consommation totale d’énergieaugmente, ce qui diminue le rendement global annuel.

En revanche, les chaudières à condensation présentent lorsque lacharge est faible un excellent rendement puisque le faible niveaude température de l’eau du chauffageest particulièrement favorable à la condensation.

La fig. 9 donne une comparaison des rendements globaux annuels de différents types de chaudières.

110

100

90

80

70

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50

40

30

20

10

10 20 30 40 50 60 70 80 90 10000

Charge de la chaudière [%]

Ren

dem

ent

en c

har

ge p

arti

elle

[%

]

GainChaudière basse température

GainChaudière gaz à condensation

RendementChaudière à température d’eau constantefabriquée en 1975

15 10 5 0 -5 -10 -1520Température extérieure (°C)

Fig. 8 : Rendements en charge partielle pour différentes chaudières en fonction de la charge de la chaudière pour des chaudières basse température et à condensation

75

80

85

90

95

100

105

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Charge spécifique de la chaudière [%]

Ren

dem

ent

en c

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ge

par

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le [

%]

110

A

B

C

D

E

015 10 5 -5 -10� -15Température extérieure [°C]

109106

96

90

84

Ren

dem

ent

glo

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an

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el [

%]

Fig. 9 : Rendements globaux annuelspour différents types de chaudières

A Chaudière gaz à condensation40/30°C

B Chaudière gaz à condensation75/60°C

C Chaudière basse température(sans limitation inférieure)

D Chaudière de 1987 (limitationinférieure de la température :40°C)

E Chaudière de 1975 (températured’eau de chaudière maintenue à75°C)


7

La condensation dans les bâtiments existants

La condensation dans les bâtiments existants

L’utilisation de la condensation ne selimite pas qu’à des systèmes dechauffage basse température(plancher chauffant, radiateurschaleur douce), mais est égalementprofitable aux radiateurs classiquesinstallés dans les bâtimentsexistants. L’expérience montre quedans la plupart des cas, lesradiateurs classiques sontsurdimensionnés (à fortiori dans lesbâtiments anciens ayant subi unrenforcement de l’isolation) etpeuvent fonctionner à des régimesde températures plus faibles(75/60°C, par exemple). L’installation,même dimensionnée à destempératures de 75/60°C, fonctionneà 90 % dans la zone de condensationcomme le montre la fig. 10. Lesconditions présentées par unchauffage basse température commeun plancher chauffant (40/30°C) sontencore meilleures puisque lacondensation est assurée toutel’année.

L’importance de l’abaissement de latempérature d’une installationdimensionnée à 90/70°C ousurdimensionnée sera déterminéesur le chantier : on effectuera unsimple test et on exploitera sesrésultats en se servant de la fig. 12.

Fig. 11 : Chaudière gaz à condensation Vitocrossal300 (9-66 kW) à surfacesd’échange Inox-Crossalet brûleur radiant MatriX

Fig. 10 :Température de départ / de retour en fonction de la températureextérieure, limite de condensation

20 15 10 5 0 –5 –10 –15

20

30

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50

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Tem

pér

atu

re d

u c

hau

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e [°

C]

Température extérieure [°C]

Température de rosée(57°C environ pour le gaz naturel)

Zone théorique de condensation (chauffage 75/60°C)80

90

75°C

60°C

(–11,5°C)

Température de rosée(47°C environ pour le fioul domestique)


8

de retour doit être impérativementinférieure à cette valeur pour induireune condensation partielle desfumées et donc une récupération dechaleur. Dans l’exemple représentéavec un surdimensionnement de1,4 (6), la température de retour estinférieure à cette valeur à destempératures extérieures descendantjusqu’à -12,5°C (7).

Une condensation totale ou partiellene se produira dans l’exemplereprésenté qu’aux jours où latempérature extérieure est inférieureà -12,5°C. Durant ces jours, unechaudière à condensation présenteraun fonctionnement plus efficacequ’une chaudière basse températurepuisque la température de sesfumées est sensiblement plus faible.

Durant la saison de chauffe, onouvrira l’ensemble des robinets desradiateurs le soir et on lira l’après-midi suivante les températures dedépart et de retour. Il est nécessaireque la régulation de chaudière ou àaction sur vanne ait été paramétréede manière à ce que la températureambiante varie dans la plagesouhaitée (de 19 à 22°C) lorsque lesrobinets de radiateurs sonttotalement ouverts.

La moyenne des températures dedépart et de retour (températuremoyenne chauffage, (54 + 46) / 2 = 50°C, par exemple) serviracomme grandeur d’entrée (1) dans legraphique. Il faut que la températureextérieure du moment (0°C dansl’exemple) soit également connue (2).

Fig. 12 : Détermination du surdimensionnement des émetteurs de chaleur(chauffage 90/70°C)

5-15

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,9

1,0

Pointde rosée

Températuredépart

chauffage

Températuremoyennechauffage

Températureretour

chauffageQ/QN

0,8

1,0

1,1

1,21,3

1,41,51,61,71,82,02,5

3,0

4,0

-10

-12,5

-5 0 10 15 20 30 40 50 60 70 80 90

Température chauffage [°C]Température extérieure [°C]

Co

effi

cien

t d

e su

rdim

ensi

on

nem

ent

1

3

2

4

Charge chaudière

6

7 5

Si l’on trace une verticale de (1) àl’intersection avec la courbe detempérature moyenne chauffage, ondéfinit le point (3). Si l’on trace unedroite horizontale vers l’intersectionavec la verticale de (2), on obtient àl'intersection avec la températureextérieure (4) le coefficient desurdimensionnement (1,4 dans notreexemple) (6). Les émetteurs dechaleur sont donc surdimensionnésde 40 %. C’est-à-dire qu’à latempérature extérieure de base (-15°C, par exemple), la températuremoyenne du chauffage ne serait pasde 80°C comme dimensionné, maisde 65°C à peine.

Le point de rosée pour les produitsde la combustion du gaz est del’ordre de 57°C (5). La température


9

Les paramètres d’influence etles critères pour un avantage optimal

La conception de la chaudière

La récupération de la chaleur latentesera d’autant plus élevée que lacondensation de la vapeur d’eaucontenue dans les produits de lacombustion sera importante. C’est leseul moyen de transformer la chaleurlatente contenue dans les fumées enchaleur utile pour le chauffage. Leschaudières de conceptiontraditionnelle ne sont pas adaptéescomme le montre la fig. 13.

Les surfaces d’échange deschaudières basse températuretraditionnelles doivent être conçuesde manière à empêcher lacondensation des fumées àl’intérieur de la chaudière.Il en estautrement pour une conception quipermet la condensation. Les produitsde la combustion sont dirigés vers lebas, le plus près possible du raccordretour pour obtenir unrefroidissement maximal. Lesproduits de la combustion et l’eau dechaudière doivent circuler à contre-courant à l’intérieur du générateur dechaleur afin d’utiliser le faible niveaude température de l’eau du retourentrant dans la chaudière pourrefroidir au maximum les gaz dechauffe. En même temps, il estnécessaire d’utiliser des brûleursmodulants pilotés par une régulationintelligente afin d’adapterautomatiquement en permanence lapuissance aux besoins calorifiquesrencontrés.

Le choix de matériaux adaptés doitassurer que les condensats nepuissent induire de la corrosion surle générateur de chaleur.

Des composants du combustible(fioul, gaz naturel ou propane) etceux de l’air de combustion secombinent pour créer lors de lacombustion des composéschimiques qui font glisser le pH(valeur mesurant l’acidité oul’alcalinité) des condensats jusqu’auniveau d’un acide. Le CO2 (gaz

Depuis de longues années, l’acierinoxydable austénitique a fait sespreuves dans ce domaine. Pour lefioul ou le gaz naturel, il existe desnuances d’acier inoxydableprésentant des alliages différents (auchrome, nickel, molybdène, titane,entre autres) et adaptés auxcaractéristiques des condensats. Cesmatériaux résistent donc durablementà l’attaque des condensats sans autretraitement de surface.

La teneur élevée en soufre du fioulest un obstacle à la large diffusiondes chaudières fioul à condensation.

Retour

Retour

Buse de fumées

Départ

DépartRetour

Chaudière basse température Chaudière à condensation

Fig. 13 : Caractéristiques de conception des chaudières

carbonique) formé lors de lacombustion risque de réagir avecl’azote N2 contenu dans l’air et deformer de l’acide nitrique. Sur leschaudières fioul, les condensatsrisquent d’être particulièrementagressifs puisque le soufre contenudans le fioul induit la formationd’acide sulfureux et sulfurique. C’est la raison pour laquelle toutes lessurfaces des échangeurs de chaleuren contact avec les condensatsdoivent être impéra-tivementréalisées avec des matériaux d’uneparfaite tenue à l’attaque chimiquedes composants des condensats.

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Condensatsdes chaudières à condensation

fiouldomestique

gaz

Eaux uséesdes ménages

basiqueacidepH

Acides accusAcide gastrique

Vinaigre

Jus de citron

Eau de pluiepropre

Eau de merEau du pluie Eau distillée

(neutre)

Eau durobinet

Ammoniac

Fig. 14 : pH de différentes matières


10

Les points suivants doivent êtreimpérativement pris en compte dansle cas des chaudières fioul à conden-sation :- résidus de combustion plus impor-

tants par rapport au gaz naturel(cendres et soufre),

- condensats acides à cause de lateneur résiduelle en soufre.

Une conception adaptée permet derésoudre ces inconvénients. Les condensats étant susceptiblesd’induire une corrosion importante,on emploie des matériaux d’unetenue élevée aux acides (acier inoxy-dable 904L) et les condensats évacuésdoivent être dirigés vers un équipe-ment de neutralisation.

L’emploi de l’acier inoxydable permetde donner des formes optimales auxsurfaces d’échange. Une transmis-sion efficace de la chaleur des produ-its de la combustion vers l’eau duchauffage suppose un contact étroitdes fumées avec les surfaces d’échange. Deux solutions sont possibles :

Il est possible de former les surfacesd’échange de manière à créer desturbulences permanentes dans lesfumées et d’empêcher la formationde flux centraux présentant des températures assez élevées. Les tubes lisses ne conviennent pasou bien il faut les doter de chicanes etd’emboutissages modifiant la section.

La fig. 16 représente les surfaces d’échange Inox-Crossal conçues àcette fin. Elles assurent des transmis-sions calorifiques excellentes. Des emboutissages croisés créentdes chicanes dont la section variableempêche efficacement la formationd’un flux central.

Flux central

Zone de la formation de condensats

ϑTau

Gaz de chauffe Gaz de chauffe

Parcours large,parois lisses

Surfaces d’échange prévues pour la condensation

Fig. 15 : Conditions physiques exigées des parcours de fumées de grandessections - surfaces d’échange Inox-Crossal

Fig. 17 : Surfaces d’échange InoxRadiales

Fig. 16 : Surfaces d’échange Inox-Crossal


11

Pour éviter une concentration acidedes condensats et un reflux dans lachambre de combustion, les produitsde la combustion et les condensatsdoivent impérativement descendredans la même direction. La gravitéfacilite l’écoulement des gouttes decondensats. La sortie des gaz dechauffe de l’échangeur de chaleurest, de ce fait, placée, en règlegénérale, en partie basse.

Une autre possibilité est deremplacer les fortes turbulences duflux de fumées, comme cellesatteintes avec les surfaces d'échangeInox-Crossal par un principe detransmissions calorifiqueslaminaires. Pour ce faire, nous avonsconçu les surfaces d’échange InoxRadial (fig. 17) constituées d’un tuberectangulaire enroulé en spirale. Desemboutissages spéciaux assurent unécart de 0,8 mm entre les différentesspires. Cet écart adapté auxconditions spéciales de circulationdes produits de la combustion induità l’intérieur de l’interstice un fluxlaminaire sans couche limite etinduisant des transmissionscalorifiques d’une remarquablequalité. Les gaz de chauffe qui sont à900°C environ peuvent ainsidescendre à une température demoins de 50°C sur une longueur de36 mm seulement. Dans le cas leplus favorable, les fumées sortant dela chaudière atteignent unetempérature qui ne dépasse que de3,5 K environ celle du retourchaudière.

Fig. 18 : Parcours de fumées et de condensats

Fig. 19 : Détail des surfaces d’échange Inox Radial - Transmissions calorifiquespour un chauffage 40/30°C- Transmissions calorifiques selon le principe de flux laminaire selonNusselt : coefficient de transmission thermique a = (7,55 x λ) / (2 x l) ⇒ α = 1/l- Conclusion : plus la largeur de l’interstice l est faible, meilleures sontles transmissions thermiques côté fumées.- La totalité de la chaleur contenue dans les fumées est transmise enune seule passe

Largeur de l’interstice l = 0,8 +/- 0,01 mm

Hau

teu

r

de

l'in

ters

tice

h =

36

mm

Température des gaz de chauffe

900°C

45°C

Fumées

Point de rosée57°C

Eu

ad

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aud

ière

Gaz de chauffe

Co

nd

ensa

ts


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Echangeur de chaleur Vitotrans 333pour condensation des fuméesjusqu’à 6600 kW

Dans le cas des chaudières demoyenne et de grande puissanceéquipées de brûleurs mixtesgaz/FOD, on pourra employer deséchangeurs de chaleur indépendants,cette solution permettant de séparerla chambre de combustion etl’échangeur de chaleur àcondensation.

Surfaces d’échange Alu-Sil équipantla chaudière murale gaz àcondensation Vitodens 100

L’aluminium représente unealternative d’un prix attrayant àl’acier inoxydable austénitique. Orl’expérience montre qu’un grandnombre d’alliages d’aluminium nerésiste pas aux attaques de lacorrosion sur les chaudières àcondensation. Les échangeurs dechaleur à tubes à ailettes enaluminium ne sont pas souvent enmesure de former suffisammentrapidement les couches depassivation protectrices desdommages induits par l’attaquecorrosive des condensats risquentdonc d'apparaître à moyen terme.

Dans le cas des échangeurs en fonte-aluminuim, l’emploi de moulesadaptés permet d’enrichir en siliciumla surface de l’échangeur de chaleuren aluminium pour lui permettre uneaptitude à l’emploi. La conceptiondes surfaces d’échange côté fuméesde la Vitodens 100 assure desturbulences efficaces au sein desproduits de la combustion.

De larges lames d’eau limitent lespertes de charge. Elles évitentl’érosion et les bruits de circulation.

Fig. 20 : Echangeur de chaleur à condensation Vitotrans 333associé à une chaudièreVitoplex

Fig. 21 :Vitotrans 333 à surfaces d’échange Inox-Crossal pourchaudières de 80 à 500 kW

Fig. 22 : Chaudière murale gaz à condensation Vitodens 100à surfaces d’échange Alu-Silet brûleur surfacique radianten acier inoxydable

Fig. 23 : Surfaces d’échange à condensation Alu-Sil


13

Teneur en CO2, conception du brûleur

Teneur en CO2, conception du brûleur

Une condensation efficace demandede faire fonctionner les équipementsde chauffe avec une teneur en CO2élevée ou un faible excès d’air, latempérature de rosée étant fonctionde la teneur des fumées en CO2(fig. 24).

On maintiendra dans la mesure du possible la température de roséeà une valeur élevée afin de pouvoircondenser même dans lesinstallations de chauffage ayant destempératures de retour élevées. C’estpourquoi il est nécessaire de viserune teneur en CO2 maximale - doncun faible excès d’air - dans lesproduits de la combustion. La teneuren CO2 pouvant être atteinte dépenden premier lieu de la conception dubrûleur.

Pour cette raison, il est déconseilléd’employer des brûleursatmosphériques, leur importantexcès d’air induisant des teneurs enCO2 peu élevées et donc de faiblestempératures de rosée des fumées. Ilest important que la turbine desbrûleurs modulants soit à vitessecontrôlée afin de pouvoir adapter ledébit d’air au débit de gaz. Seulecette solution permet de travailleravec un faible exès d’air et demaintenir une teneur en CO2 élevéemême en marche modulante.

La consommation d’énergie d’uneturbine de ce type est de l'ordre de50 kWh/an pour les chaudièresmurales gaz à condensation, soit uncoût de 6 euros environ par an.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 1535

40

45

50

55

60

Teneur en CO2 [% vol]

Tem

pér

atu

re d

e ro

sée

de

la v

apeu

r d

’eau

[°C

]

Gaz naturel(95 % de CH4)

47

57

Brûleuratmosphérique

Brûleurà ventilateur

Fig. 24 :Température de rosée de la vapeur d’eau en fonction de la teneur en CO2

Fig. 25 : Brûleur gaz modulantMatriX-compact assisté par ventilateur, jusqu’à66,3 kW

Fig. 26 : Brûleur radiant MatriX,puissances nominales :87, 115 et 142 kW


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Intégration hydraulique

Intégration hydraulique

Les circuits hydrauliques devrontinduire une température de retournettement inférieure au point derosée des produits de la combustionafin que les fumées puissent se condenser.

Il est capital d’éviter toute élévationde la température de retour par desliaisons directes avec le départ. C'estpourquoi il est vivement déconseillépour les chaudières à condensationde réaliser des circuits comprenantune vanne mélangeuse 4 voies. Onpourra remplacer ces dernières pardes vannes 3 voies. Elles dirigentl’eau de retour chauffage directe-ment vers la chaudière à condensa-tion sans qu’il y ait élévation de latempérature (fig. 27).

En outre, on ne devra pas non plusemployer de vannes thermostatiques3 voies puisqu’elles induisent unecommunication directe entre ledépart et le retour et donc une éléva-tion de la température de retour.

Les circulateurs à vitesse variableadaptent automatiquement le débitaux exigences de l’installation,empêchant une température deretour inutilement élevée et amélio-rent ainsi la condensation.

Dans certains cas, un collecteur àbipasse ou une bouteille de décou-plage hydraulique (“casse pression”)s’avère indispensable. Les bouteillesde découplage se justifiaient autre-fois pour assurer une irrigation cor-recte des chaudières à fortes pertes de charge et pour faciliter ledimensionnement des équipementsdes circuits secondaires. Elles ne sontplus nécessaires pour les chaudièresà condensation modernes.

Néanmoins, dans certaines installa-tions (plancher chauffant parexemple), le débit des circuits secon-daires est supérieur au débit maxi-

Elévation de la température du retour

Vanne mélangeuse

3 voiesPas d’élévation de la température du retour

correct

Vanne mélangeuse 4 voies

faux

M M

Fig. 27 : Conditions à remplir par le circuit hydraulique pour les chaudières à condensation

Vanne 2 voiesde radiateur

correct

Vanne 3 voiesde radiateur

faux

MM


mal admissible par le générateur.Dans ce cas, il est indispensabled’ajuster les débits à l’aide d’unebouteille de mélange. La tempéra-ture de retour ne subira aucune aug-mentation.

Les débits des circuits de chaudièreet de chauffage devront être adaptésde telle manière que le débit le plusimportant circule dans le circuit dechauffage afin d’empêcher toutmélange d’eau chaude du départavec celle du retour. La sonde de

départ devra être implantée en avalde la bouteille de mélange afin de détecter la température de l'installation après adjonction del’eau plus froide du retour. Si l’em-ploi de la bouteille de mélange estindispensable, le dimensionnementet le réglage devront être effectuésavec soin afin d’atteindre unecondensation maximale.

Il est également possible d’utiliser unéchangeur de séparation hydrauliquequi remplit des fonctions similaires.


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Règles concernant l’étude des chaudières murales :

- Dans les cascades constituées deplusieurs générateurs de chaleur,on utilisera dans la plupart des casune bouteille de mélange.

- Lors de l’équilibrage de la bouteillede mélange, le débit volumique côtéappareils devra être réglé à 10 - 30 %environ en dessous du débit volu-mique côté installation (faible tem-pérature de retour).

- La bouteille de mélange seradimensionnée au débit volumiquemaximal rencontré dans l’ensemblede l’installation.

Si un préparateur d’eau chaude sani-taire est intégré à l’installation, ildevra être raccordé de préférence enamont de la bouteille de mélangepuisque cette portion du départ pré-sente les températures les plus éle-vées de l’installation ce qui permet deréduire la durée de charge du prépa-rateur. Un raccordement en aval de labouteille de mélange induirait, s’il n’ya pas de vanne mélangeuse, une aug-mentation non contrôlée de la tem-pérature des circuits de chauffage.

La condensation est en plus égalementfonction du dimensionnement desdébits ou de la différence tempéra-ture de départ/température de retour.La fig. 31 le visualise : si dans uneinstallation existante (Q = const.), ledébit (V) est divisé par deux, la diffé-rence (∆ϑ) augmente et en consé-quence la température moyenne desradiateurs diminue.

V = Q / ∆ϑ

Si la température du départ est augmen-tée de telle manière qu’à la cession dechaleur à la pièce, les conditions initialesde température se rétablissent, il enrésulte pour la même température moyenne une différence deux fois plusimportante. La température de retourchute en conséquence. La condensationpeut dans ce cas être sensiblementaméliorée.A l’inverse, des débits importantsréduisent la différence et risquent, le cas échéant, de s'opposer à la condensation.

Légende

Vprim Débit eau du chauffageCircuit générateur de chaleur (de 10 à 30 % environ intérieur à Vsec)

Vsec Débit eau du chauffageCircuit de chauffage

ϑ1 Température de départCircuit générateur de chaleur

ϑ2 Température de retourCircuit générateur de chaleur

ϑ3 Température de départCircuit de chauffage

ϑ4 Température de retourCircuit de chauffage

Qprim Quantité de chaleur fournie par le générateur de chaleur

Qsec Quantité de chaleur dissipée par le circuit de chauffage

Vprim < Vsecϑ1 < ϑ3ϑ2 = ϑ4Qprim = Qsec

ϑ1 ϑ3

ϑ2ϑ4

VsecVprim

Fig. 29 : Principe de fonctionnementd’une bouteille de mélange

Correct

M


Débit 100 %

ϑdép. = 50°C

ϑret = 40°C

ϑmoy. = 45°CRL

VL

40°C

Débit 50 %

ϑdép. = 55°C

ϑret. = 35°C

ϑmoy. = 45°CRL

VL

35°C

50°C

55°C

Fig. 31 : Effet du dimensionnement des débits (différences de température)

• •

••

•

••

•

•

• •

• •


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Traitement des condensats

Traitement des condensats

Les condensats qui se forment dans lachaudière et la cheminée durant lamarche devront être évacués. Pour uneconsommation de gaz de 3000 m2/andans une maison individuelle moyenne, il peut se former de 3000 à3500 l/an de condensats environ.

La température de retour induit unecertaine température de fumées ϑAqui se répercute sur le coefficient decondensation a. a sera de 1 si la tota-lité des condensats théoriquementpossibles est formée (tableau 3)(condensation totale).

En raison de leur faible acidité, lescondensats des chaudières gaz àcondensation peuvent être dirigésdirectement vers le réseau publicd’évacuation des eaux usées (saufréglementation locale). La part descondensats dans le total des eauxusées est si faible que ces eauxassurent une dilution suffisante.

Si une conduite est exclusivementemployée pour les condensats de la sortie de l’appareil au collecteuret qu’il n’y a aucune dilution, même accidentelle, on choisira des matériaux spéciaux.Il s’agit de :- tubes en grès,- tubes en PVC rigide- tubes en PVC- tubes en polyéthylène

haute densité- tubes en polypropylène- tubes en ABS/ASA- tubes en acier inoxydable- tubes en borosilicate.

L’évacuation des condensats vers le raccord tout-à-l'égout doit êtrevisible et équipée d’un siphon anti-odeurs.

Si une neutralisation est prescrite, lepH des condensats est décalé dans lesens “neutre”. Pour ce faire, les condensats traverseront l’équipement

Fig. 32 : Quantité de condensats formés

20

40

60

80

20

40

60

0 0,2 0,4 0,6 0,8

80

1

100

Tem

pér

atu

re c

hau

ffag

eϑ D

/ϑR [

°C]

Tem

pér

atu

re f

um

ées

ϑ F[°

C]

Charge ϕ

0

ϑD

ϑR

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

Co

effi

cien

t co

nd

ensa

tio

nα

Charge ϕ

α brûleur modulant

ϑF modulant

ϑD

ϑR

α brûleur modulant

ϑF modulant

Chauffage 75/60 °C Chauffage 40/30 °C

de neutralisation. Ce dernier se compose pour l’essentiel d’un bacrempli de granulés. Une partie desgranulés (hydrolite de magnésium) se dissout dans les condensats, réagitprincipalement avec l’acide carbo-nique pour former un sel et fait passerle pH à des valeurs de 6,5 à 9.

Il est important que l’installationfonctionne en passage direct afind’empêcher la dissolution de

quantités excessives de granulésdurant les phases d’arrêt. Le volumedu bac devra être adapté à laquantité de condensats attendue etcalculé de manière à ce qu’un rem-plissage suffise pour au moins unesaison de chauffe. A l’issue de laréalisation de l’installation, uncontrôle devra être effectué de tempsen temps les premiers mois. De plus,un entretien devra être effectué tousles ans.

Fig. 33 : Equipement de neutralisationdes condensats des chaudières gaz par granulésjusqu’à 70 l/h, soit 500 kWde puissance environ

Fig. 34 : Equipement de neutralisationdes condensats par granulésavec pompe de relevage -peut être employé pour desdébits de condensats jusqu’à210 l/h, soit 1500 kW depuissance environ


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Emissions polluanteset évacuation des fumées

Emissions polluantes et évacuationdes fumées

Le niveau très élevé de l'hygiène decombustion en association avec lesbrûleurs radiants MatriX permet aux chaudières à condensation Viessmann d’être largement en dessous des valeurs limites de l’ensemble de la réglementation existante dans les différents pays enEurope. Les émissions polluantessont déjà pour partie inférieures à lalimite technique de détection desappareils de mesure.

Les très faibles émissions polluantesdu brûleur radiant MatriX sontinduites par un prémélange totalgaz/air et à une température de com-bustion particulièrement basse géné-rée par la grande surface de réactionhémisphérique. Une part non négli-geable de la chaleur dégagée est éva-cuée de la zone de réaction parrayonnement infrarouge, ce quiabaisse sensiblement la formation deNOX.

La température des fumées étantbasse (< 85°C), il est nécessaire de dimensionner le conduit de cheminée en conséquence. L’humiditérésiduelle risquant de se condenserdans le conduit rend indispensablel’utilisation de matériaux résistant àl’acidité des condensats.

Ces exigences sont remplies par desconduits de cheminée réalisés enmatériau de synthèse, en acier inoxydable, en céramique ou enverre.

L’évacuation des fumées par circuitétanche (ventouse) est une alterna-tive intéressante à la cheminée.

Fig. 35 : Emission polluantes de la chaudière gaz à condensation Vitodens 200comparée à différente règlementations et différents labels de qualité.

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

DIN 4702,partie 6

Valeurssuisses

Ange bleuRAL-UZ 61

Valeurs deHambourg

Vitodens 200

NOx

CO

Val

eurs

lim

ites

d’ém

issi

ons

pollu

ante

s en

mg/

kWh


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Comment choisir sa chaudière

Vous trouverez dans la gammeViessmann la chaudière qui convientà vos besoins.

Pour une maison individuelle, onpourra employer une chaudièremurale simple service couplée à un ballon d’eau chaude ou une chaudière murale double service àéchangeur instantané intégré. Cettechaudière gaz pourra être en versioncheminée ou en version ventouse etêtre montée dans les combles, levolume habitable ou au sous-sol.

Pour les immeubles collectifs, onpourra choisir une solution par chau-dières individuelles ou avec unechaudière collective.

Dans le premier cas, une chaudièremurale est, en règle générale, instal-lée dans chacun des appartements.La production d’eau chaude sanitaireest assurée par un ballon placé aumur, en dessous ou à côté de la chau-dière ou par un échangeur de chaleurà plaques intégré à la chaudière.

Les chaudières murales gaz àcondensation Vitodens suivent demanière logique la stratégie de plate-forme Vitotec et présentent unegrande similitude de conception, de cotes et de composants. Lagamme chaudières murales Vitotecest ainsi constituée d’un nombrelimité de composants de baseservant à constituer les différentstypes d’appareils : un châssis debase, quatre corps de chauffe, trois Aqua-Platines, deux types de régulation et le système Multi-Connecteur. Cette démarchesimplifie les travaux de montage, de mise en service et d’entretien et limite le stockage des accessoireset des pièces de rechange.

La nouvelle chaudière gazVitodens 222 compacte à ballond’eau chaude sanitaire intégré de6,6 à 26,3 kW (fig. 37), vientcompléter la gamme des chaudières

à condensation. Les chaudières àcondensation Viessmann sontclassées dans la catégoriecondensation de la RéglementationThermique 2000 et elles peuvent êtrepréconisées dans dans le cadre d’uneoffre Dolce Vita® de Gaz de France.

Le cœur de la technique modulairedes chaudières murales est l'Aqua-Platine qui intègre tous les parcoursd’eau derrière la paroi arrière. Tousles composants sont ainsi facilementaccessibles et amovibles par l’avant.Le système Multi-Connecteuraugmente la facilité d’entretien et demaintenance.

Fig. 37 : Chaudière gaz àcondensation compacteà ballon d’eau chaudesanitaire intégré de 6,6 à 26,3 kW de puissance nominale

Fig. 36 : Chaudières murales gaz à condensation Vitodens 100 et 200 de 6,6 à66,3 kW, la Vitodens 200 est disponible en cascade jusqu’à 265 kW


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La technique modulaire Viessmann

Une solution centralisée dans lesimmeubles d’une certaine taillepourra également être réalisée àl’aide de chaudières murales pilotéesen cascade. Il est également possibled’employer une chaudière gaz àcondensation au sol.

La gamme Vitotec chaudières gazà condensation au sol va de la Vitocrossal 300 de 9 à 978 kW (fig. 37 et 38) aux échangeurs de chaleur à condensation Vitotrans 333en acier inoxydable pour chaudièresde 80 à 6600 kW (fig. 39).

Un échangeur de chaleur à conden-sation sera monté en aval de la chaudière si la puissance est assezimportante.

A l'intérieur des échangeurs de chaleur à condensation Vitotrans 333,la température des fumées est forte-ment abaissée pour ne plus dépasserque de 10 à 25 K celle du retourchauffage. Cette seule opérationaméliore le rendement utile de 5 %environ. Les autres économies d'énergie et l’avantage effectif deséchangeurs de chaleur à condensa-tion résident dans l’utilisation de lachaleur libérée par condensation desproduits de la combustion sur lessurfaces d’échange froides. Selon latempérature de l’eau de chauffage àl’intérieur de l’échangeur à conden-sation, il est possible de gagnerjusqu’à 7 % supplémentaires.

Un échangeur de chaleur à conden-sation monté en aval permet ainsid'améliorer le rendement utile des chaudières de 12 % environ maximum, la consommationde combustible est réduite en conséquence.

Fig. 39 : Echangeurs de chaleur à condensation Vitotrans 333 pour chaudièresde 80 à 6600 kW

Fig. 38 : Chaudière gaz à condensation au sol Vitocrossal 300 de 89 à 978 kWde puissance nominale


Sous réserves de modifications techniques9446 964 - F 06/2003

Votre chauffagiste :

De l’unité dans la diversité :Viessmann vouspropose unegamme deproduits pourchaque besoin et toutes les exigences

Viessmann S.A.Z.I. - B.P. 5957380 FaulquemontTél. : 03 87 29 17 00Fax : 03 87 94 16 55Web : http ://www.viessmann.fr

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Le groupe Viessmann

Aujourd’hui, avec ses 10 unités deproduction employant 6 700 salariés, le groupe Viessmann s’impose commel’un des plus grands fabricants d’appareils de chauffage au monde.Grâce à son savoir-faire et sa capacitéd’innovation, la marque Viessmann a conquis une notoriété sans pareilleauprès des professionnels du chauf-fage. Notre gamme complète dechaudières et de préparateurs d’eauchaude sanitaire s’appuie sur la tech-nique des systèmes parfaitement adaptée et bénéficie d’une renomméequi n’est plus à faire.La diversité de nos produits, leursperformances et leur qualité, garan-tissent dans chaque cas une bonneadaptation au besoin, une grandefiabilité, une faible consommationd’énergie, un réel respect de l’envi-ronnement ainsi qu’un grand confortd’utilisation.Des techniques de chauffage tradi-tionnelles au domaine des énergiesrenouvelables, chacune de nos innovations a marqué de son avancéel’histoire du chauffage. Nos recherches et nos développementstechniques ne poursuivent qu’un seul but : s’investir toujours plus afinde donner satisfaction à nos clients et à nos partenaires, professionnels du chauffage, tout en faisant valoirnotre engagement en faveur de la préservation de l’environnement.


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