Chaudières et condensation

Une chaudière à condensation ne gagne ses derniers points de rendement que si l'eau qui lui revient est assez froide pour faire condenser la vapeur des fumées. Ce gain ne dépend donc pas seulement d'elle : il dépend du réseau qui lui renvoie l'eau. Ce chapitre suit la chaudière murale gaz de la maison du cours, du brûleur au siphon, puis sur toute une année : rendement sur PCI et sur PCS, effet du retour, de la modulation et du court-cycle, réglementation européenne, dimensionnement, condensats et entretien.

28.1 Trois familles de chaudières

Une chaudière brûle un combustible et transmet la chaleur des fumées à l'eau de chauffage par un échangeur. Les familles se distinguent par la température d'eau qu'elles supportent.

Une chaudière standard, en fonte ou en acier, doit garder ses parois au-dessus du point de rosée des fumées. L'eau qui condenserait sur ses surfaces dissoudrait le dioxyde de carbone et les oxydes d'azote des fumées et corroderait le métal. On la fait donc travailler avec un retour chaud, et ses fumées emportent toute la vapeur d'eau formée par la combustion. Une chaudière basse température accepte un retour plus tiède sans dommage, grâce à des parois multiples ou à des matériaux adaptés, mais elle n'est pas conçue pour récupérer l'eau condensée. Une chaudière à condensation fait l'inverse : son échangeur, en inox ou en aluminium, est prévu pour être mouillé, et le condensat est recueilli puis évacué. Le règlement d'écoconception 813/2013 traduit ces différences dans ses essais à charge partielle, avec un retour de 30 °C pour une chaudière à condensation, 37 °C pour une basse température et 50 °C pour une chaudière standard.

La suite du chapitre ne traite que de la condensation, au gaz naturel. La chaudière du cours est une murale de 12 kW sur PCI, qui module jusqu'à 2,4 kW et brûle du gaz naturel de référence G20, assimilé au méthane, avec 25 % d'excès d'air (λ = 1,25).

28.2 Rendement sur PCI, rendement sur PCS

La combustion du méthane forme du dioxyde de carbone et de la vapeur d'eau. Le pouvoir calorifique supérieur (PCS) compte la chaleur rendue quand cette vapeur est condensée et ramenée à 25 °C ; le pouvoir calorifique inférieur (PCI) suppose qu'elle reste à l'état de vapeur. Le chapitre 61 détaille ce calcul. Pour le G20, le socle trouve 39,83 MJ/m³(n) sur PCS et 35,89 MJ/m³(n) sur PCI, soit un rapport de 1,1097, avec 1,611 kg d'eau formée par mètre cube normal brûlé.

η_PCI = P_eau / (V̇_gaz · PCI) η_PCS = η_PCI · PCI / PCS

Les fabricants et l'usage européen ont longtemps exprimé le rendement sur PCI. Une chaudière qui condense récupère une partie de la chaleur latente que le PCI ignore : son rendement sur PCI dépasse alors 100 %, sans rien violer. Le plafond est le rapport des deux pouvoirs calorifiques, 110,97 % sur PCI, atteint si les fumées sortaient à la température de l'air et que toute l'eau formée condensait. Le rendement sur PCS, lui, reste sous 100 %. Le règlement 813/2013 compte sur PCS ; le cours donne les deux.

La vapeur commence à condenser quand la paroi descend sous le point de rosée des fumées (chapitre 2). Il dépend de la part de vapeur dans les fumées, donc de l'excès d'air : 59,2 °C pour une combustion exacte (λ = 1), 54,9 °C à λ = 1,25. Plus d'air dilue la vapeur et abaisse la rosée.

28.3 Ce qui fait condenser : la température de retour

Dans une chaudière à condensation, les fumées traversent l'échangeur à contre-courant de l'eau et le quittent du côté où entre le retour. La paroi la plus froide est donc à peu près à la température de retour. Le socle en tire un modèle simple : les fumées sortent plus chaudes que le retour de 3 K à charge nulle à 10 K à pleine charge (3 K + 7 K × charge) ; elles sont saturées si cette température est sous la rosée, et l'eau qui ne tient plus dans la vapeur saturante condense.

Ce chapitre ajoute un modèle fin de l'échangeur-condenseur. L'échangeur est découpé en tranches ; dans chacune, la chaleur sensible passe des fumées à la paroi, qui est à la température locale de l'eau, et la vapeur se dépose sur la paroi si celle-ci est sous la rosée. Le transfert de masse suit l'analogie de Lewis déjà employée pour les batteries froides au chapitre 37. Le nombre d'unités de transfert est calé pour que les fumées sortent à la même température que dans le socle. Seule change la façon de condenser : la paroi froide du bas de l'échangeur prend de l'eau même quand les fumées, en moyenne, sont encore au-dessus de la rosée.

Retour et départ à 10 K d'écart, G20 à λ = 1,25. Socle : le modèle commun du cours ; fin : modèle de l'échangeur en tranches de ce chapitre, fumées entrant dans la partie convective à 700 °C (hypothèse d'exemple, le résultat y est peu sensible).

Deux tendances se lisent. Le rendement chute dès que le retour monte, et la marche est franche quand le retour franchit la rosée : sans condensation, le rendement sur PCI reste sous 98 %. À retour donné, la charge joue moins : un brûleur au ralenti laisse des fumées plus froides et condense une plus grande part de l'eau formée, mais les pertes de l'enveloppe pèsent davantage sur une petite puissance. Le modèle fin condense plus que le socle : il condense encore quand les fumées sortent au-dessus de leur rosée, tant que la paroi côté retour reste en dessous. Dès 55 °C de retour, les deux modèles coïncident.

Sur la figure, le premier curseur fixe la température de retour et le second la charge du brûleur ; la lecture vient de la table du modèle fin. Sans geste du lecteur, une visite automatique parcourt quelques points de fonctionnement, et reprend dix secondes après la dernière action.

Exemple 1. Point de projet et mi-saison.

1. À −7 °C, la maison du chapitre 17 demande 2 804,8 W. La loi d'eau des radiateurs (chapitre 26) donne 55 °C au départ et 45 °C au retour.
2. La chaudière module à 23,4 % de 12 kW : elle brûle 2,81 kW sur PCI, soit 0,282 m³(n)/h de gaz.
3. Les fumées sortent à 49,6 °C, sous la rosée de 54,9 °C. Elles laissent 0,118 kg/h de condensat (2,82 kg par jour), soit 25,9 % de l'eau formée ; condenser toute cette eau donnerait 0,455 kg/h.
4. Rendement du socle : 99,7 % sur PCI, 89,9 % sur PCS. Le modèle fin retrouve la même puissance à 23,0 % de charge, avec 101,4 % sur PCI et 91,4 % sur PCS, et 0,186 kg/h de condensat, 1,58 fois plus (41,6 % de l'eau formée). L'écart de rendement sur PCI, 1,68 %, dépasse 1 % : il vient de la paroi d'entrée du retour, à 45 °C, plus froide que les fumées sortantes.
5. À +7 °C, la maison ne demande plus que 1 098 W, avec une eau à 36,5/32,6 °C. Au ralenti, la chaudière fournirait 2 525 W : elle ne peut plus moduler et fonctionne par cycles, en marche 44,0 % du temps. Ses fumées sortent à 37,0 °C ; le rendement monte à 104,0 % sur PCI, 93,8 % sur PCS (104,9 et 94,5 % avec le modèle fin). Le condensat vaut 0,109 kg/h en moyenne, 0,248 kg/h pendant la marche.

28.4 Le réseau décide de la condensation

La chaudière ne choisit pas sa température de retour : c'est la sortie des émetteurs, mélangée dans les tuyaux. Quatre choix de réseau la fixent.

La loi d'eau (chapitre 26) baisse le départ quand il fait doux ; le retour suit. À +2 °C, l'eau est à 43,5/37,4 °C. Une courbe de chauffe trop haute, réglée « pour être tranquille », remonte le retour toute l'année.

L'équilibrage (chapitre 22) compte autant. Un réseau dont les robinets restent grands ouverts envoie trop d'eau aux radiateurs proches, qui la rendent à peine refroidie. Dans la maison du cours, le réseau non équilibré du chapitre 22 renvoie 51,91 °C à −7 °C au lieu de 45,00 °C, 41,68 °C au lieu de 37,43 °C à +2 °C, et 35,37 °C au lieu de 32,62 °C à +7 °C.

L'écart aller-retour se choisit au dimensionnement : à puissance égale, un écart de 20 K plutôt que 10 K baisse le retour et le débit.

L'hydraulique peut tout défaire. Une bouteille de découplage sépare le circuit de la chaudière (primaire) de celui des émetteurs (secondaire), chacun avec sa pompe. Si le primaire débite plus que le secondaire, l'excédent d'eau chaude redescend dans la bouteille et se mélange au retour :

θ_{retour chaudière} = (q_s θ_{retour émetteurs} + (q_p − q_s) θ_départ) / q_p

Avec le secondaire de la maison, 264,3 L/h en 55/45 °C, un primaire de 600 L/h remonte le retour de la chaudière à 50,6 °C. Si le primaire débite moins, 200 L/h, c'est le départ vers les émetteurs qui tombe, à 52,6 °C. Un by-pass ouvert ou une vanne trois voies de mélange produisent le même effet que l'excédent. Le chapitre 65 traitera ces montages ; pour une chaudière à condensation, la règle est de ne pas renvoyer d'eau de départ vers le retour.

28.5 Modulation, puissance minimale et court-cycle

Le brûleur à prémélange module sa puissance en faisant varier la vitesse du ventilateur ; le venturi dose le gaz en proportion de l'air. La plage a une limite basse, ici 2,4 kW, soit 20 % de la puissance nominale (modulation de 1 à 5). Dans la maison, la demande passe sous ce minimum dès que la température extérieure dépasse −3,9 °C : la chaudière doit s'arrêter et redémarrer.

Pendant un cycle, l'eau du réseau sert de réserve. La régulation laisse sa température monter puis descendre d'un différentiel Δθ, 5 K ici. Soit C = V ρ c Δθ l'énergie stockée, P la puissance minimale du brûleur rendue à l'eau et L la demande vue par l'eau, maison et pertes de l'enveloppe de la chaudière comprises :

t_marche = C / (P − L) t_arrêt = C / L N = 3 600 / (t_marche + t_arrêt) N_max = 3 600 P / (4 C) pour L = P / 2

La maison contient 30,55 L d'eau, radiateurs, tubes et chaudière compris : C vaut 632 kJ. À la puissance minimale, 2 567 W à l'eau en comptant les pertes de l'enveloppe, le pire cas donne 3,66 démarrages par heure. Chaque démarrage coûte une préventilation (balayage du foyer par le ventilateur), un peu de gaz imbrûlé et de l'usure ; le modèle ne chiffre pas ces pertes, qui sont la raison de limiter les cycles. Pour tenir 2 démarrages par heure au pire, il faudrait 56 L d'eau en tout ; pour 1 démarrage par heure, 112 L.

Exemple 2. Court-cycle à +10 °C.

1. À +10 °C, la maison demande 732 W, avec une eau à 32,0/29,4 °C. Au minimum, le brûleur fournit 2 551 W à l'eau.
2. Avec les 30,55 L du réseau : 5,8 min de marche, 14,1 min d'arrêt, 3,0 démarrages par heure. Le rendement reste bon, 104,7 % sur PCI et 94,3 % sur PCS, car l'eau est froide.
3. Avec 3 L seulement, le contenu d'une chaudière dont le circulateur ne débiterait que dans un circuit court : 0,6 min de marche, 1,4 min d'arrêt, 30,8 démarrages par heure.
4. Avec un ballon tampon de 50 L en plus (80,55 L) : 15,3 min de marche, 37,1 min d'arrêt, 1,1 démarrage par heure. Sur l'année, les démarrages passent de 13 415 à 5 088, à rendement égal.

28.6 Une année par classes de température

Comme au chapitre 48, l'année se découpe en classes de température extérieure d'un degré, chacune avec son nombre d'heures (climat moyen). Pour chaque classe, on calcule la charge de la maison, les températures d'eau, le mode de marche et le rendement, puis on somme. Le tableau regroupe les 26 classes en quatre bandes, pour le réseau équilibré :

Retour moyen pondéré par la chaleur fournie. Socle commun du cours, classes et heures du chapitre 48.

Plus des trois quarts de la chaleur, 77,1 %, sont produits entre −3 et +8 °C, avec un retour moyen sous 40 °C. Le point de projet, que l'on regarde au dimensionnement, pèse peu dans le bilan.

Exemple 3. L'année, puis un retour dégradé.

1. Réseau équilibré, loi d'eau 55/45 °C : la maison reçoit 6 549 kWh de chaleur sur 4 910 heures de chauffage. La chaudière brûle 7 067 kWh sur PCS (6 368 kWh sur PCI) : rendement annuel de 92,7 % sur PCS, 102,8 % sur PCI. Toute la chaleur est produite en condensation. La chaleur latente récupérée, 368 kWh, représente 52,7 % de celle qu'offre le gaz brûlé ; le siphon évacue 550 L d'eau dans l'année. Le modèle fin donne 93,6 % sur PCS et 643 L.
2. Réseau non équilibré : le retour monte de 6,5 K en moyenne par grand froid, de −10 à −4 °C. Il faut 7 192 kWh sur PCS, rendement 91,1 % ; 95,6 % de la chaleur seulement est produite en condensation, et 421 L de condensat. La surconsommation vaut 1,8 %, 125 kWh. Le modèle fin, qui condense encore sur la paroi la plus froide, donne 92,3 % et 546 L.
3. Bouteille mal réglée et chaudière en 80 °C : le secondaire reste en 55/45 °C grâce à sa vanne de mélange, qui ne prélève que 75,5 L/h d'eau à 80 °C dans la bouteille. Un primaire de 132 L/h suffit alors à ramener 60 °C au retour, et tout débit plus fort le remonte encore. Sur l'année, la chaudière ne condense plus jamais : 7 846 kWh sur PCS, rendement 83,5 % (92,6 % sur PCI), soit 11,0 % de gaz en plus, 780 kWh. Par temps doux, entre +9 et +15 °C, le rendement tombe à 78,4 %, car les pertes de l'enveloppe chaude pèsent sur une petite charge.

Ces écarts sont ceux d'une maison bien isolée, avec une chaudière bien choisie. Un retour dégradé coûte peu tant qu'il reste sous la rosée ; il coûte beaucoup dès qu'il la franchit.

28.7 Écoconception et étiquette énergie

Le règlement (UE) n° 813/2013 (version consolidée du 09/01/2017) fixe les exigences d'écoconception des chaudières et dispositifs de chauffage jusqu'à 400 kW. Il mesure deux rendements utiles sur PCS : η₄ à la puissance nominale en régime haute température (retour 60 °C, départ 80 °C) et η₁ à 30 % de charge en régime basse température, avec le retour propre à chaque famille (§ 28.1). L'efficacité saisonnière η_s part d'une moyenne pondérée de ces deux rendements, puis retranche des corrections pour la régulation, la consommation électrique des auxiliaires et les pertes à l'arrêt. Depuis le 26/09/2015, une chaudière à combustible jusqu'à 70 kW doit atteindre η_s ≥ 86 %, hors petites chaudières de type B1 à tirage naturel, tenues à 75 %. Le règlement délégué (UE) n° 811/2013 classe les appareils pour l'étiquette énergie : la classe A couvre 90 % ≤ η_s < 98 %.

La chaudière du cours donne η₄ = 87,4 % (96,9 % sur PCI) et η₁ = 95,5 % (106,0 % sur PCI) avec le socle, 96,3 % (106,8 % sur PCI) avec le modèle fin. Le cours ne calcule pas son η_s : les pondérations et les corrections relèvent de méthodes de calcul publiées à part, et une chaudière réelle se juge sur sa fiche produit. On retiendra que η_s est conventionnel : il suppose un retour à 30 °C à charge partielle, que l'installation doit ensuite tenir.

28.8 Dimensionner : chauffage seul ou priorité à l'eau chaude

La puissance d'une chaudière se choisit d'abord sur les déperditions (chapitre 17), mais l'eau chaude sanitaire décide souvent. Le chapitre 30 la traite en détail ; deux cas suffisent ici.

Avec un ballon de 150 L (chapitre 17) chauffé par un serpentin, la vanne trois voies donne la priorité au ballon, et le chauffage attend. Le ballon stocke 7,85 kWh, l'équivalent de 3,92 kW pendant 2 h. À pleine puissance, 12,09 kW à l'eau, la recharge prend 39 min : la maison, qui a de l'inertie, ne le remarque pas. La chaudière de 12 kW vaut pourtant 4,3 fois la charge de projet : c'est la taille des plus petites murales courantes, et le court-cycle en hiver doux en découle.

Une chaudière mixte instantanée chauffe l'eau sanitaire au passage. Une douche demande alors 20,9 kW, 7,5 fois la charge de projet. Prenons une murale de 24 kW, modulant à 4,8 kW (valeurs d'exemple) : elle vaut 8,6 fois la charge, ne module jamais pour le chauffage de cette maison et fonctionne par cycles même au point de projet, en marche 58,5 % du temps. À +10 °C, elle ne brûle que 2,4 min par cycle et démarre 3,6 fois par heure ; sur l'année, 25 514 démarrages, 9 677 avec un tampon de 50 L. Son rendement annuel calculé reste de 92,7 % sur PCS, parce que le modèle ignore les pertes au démarrage : le surdimensionnement se paie en usure et en émissions de démarrage plus qu'en rendement stationnaire.

28.9 Condensats, conduits et entretien

Le condensat est une eau acide. Le seul dioxyde de carbone des fumées, à 7,75 % dans les fumées humides, en dissout 2,59 mmol/L et donne un pH de 4,47 ; les oxydes d'azote le rendent en pratique encore plus acide. L'échangeur et le siphon sont faits pour cela, pas toujours les descentes en fonte ou en cuivre. Le siphon, rempli d'eau, empêche les fumées de sortir par l'évacuation ; une chaudière qui fonctionne sans eau dans son siphon rejette des fumées dans le local. Selon la puissance, le réseau et les règles locales, le condensat rejoint les eaux usées directement ou après un bac de neutralisation à granulés calcaires, qui remonte son pH et s'use : dans la maison, il traite environ 550 L par an.

Des fumées à 50 °C ou moins n'ont presque plus de tirage naturel : le ventilateur les pousse. La ventouse concentrique prend l'air de combustion à l'extérieur par l'anneau et rejette les fumées par le tube central ; la chaudière est étanche par rapport au local. Le conduit, en plastique adapté ou en inox, est posé en légère pente vers la chaudière, pour que l'eau qui condense dans le conduit revienne au siphon. Le panache de vapeur visible en hiver est normal ; il impose seulement de placer le terminal loin des ouvrants et des passages.

L'entretien annuel (chapitre 72) vérifie la combustion (analyse des fumées), l'électrode d'ionisation, qui surveille la présence de flamme, l'état du brûleur, le nettoyage de l'échangeur et de la cuve, le remplissage et la propreté du siphon, la pression du vase d'expansion. En France, il est obligatoire pour les chaudières de la maison ; le texte et son domaine sont à vérifier au chapitre 72.

À retenir

• Sur PCI, une chaudière qui condense dépasse 100 % ; au G20, le plafond est 110,97 %. Sur PCS, le rendement reste sous 100 % ; le règlement 813/2013 compte sur PCS.
• La condensation commence quand la paroi passe sous la rosée des fumées : 54,9 °C au gaz naturel avec 25 % d'excès d'air. La paroi la plus froide est au retour.
• Le retour vient du réseau : loi d'eau, équilibrage, écart aller-retour et hydraulique. Une bouteille ou un by-pass qui renvoie du départ au retour supprime la condensation.
• Maison du cours : 92,7 % sur PCS sur l'année avec un réseau équilibré, 91,1 % non équilibré, 83,5 % avec un retour à 60 °C, soit 11,0 % de gaz en plus.
• Sous sa puissance minimale, la chaudière fonctionne par cycles. Au pire, N_max = 3 600 P / (4 V ρ c Δθ) démarrages par heure ; l'eau du réseau, ou un tampon, les limite.
• η_s combine η₄ (80/60 °C, pleine charge) et η₁ (30 %, retour 30 °C) avec des corrections ; minimum 86 % jusqu'à 70 kW, classe A de 90 à 98 %.
• Surdimensionner pour l'eau chaude multiplie les démarrages plus qu'il ne baisse le rendement stationnaire.
• Le condensat est acide (pH de l'ordre de 4 à 5 pour le seul CO₂) ; siphon plein, évacuation adaptée, neutralisation selon les règles locales, entretien annuel.

Sources publiques : règlement (UE) n° 813/2013 de la Commission du 2 août 2013, écoconception des dispositifs de chauffage des locaux et des dispositifs de chauffage mixtes, version consolidée du 09/01/2017, et règlement délégué (UE) n° 811/2013 du 18 février 2013, étiquetage énergétique de ces appareils, lus au Journal officiel de l'Union européenne par la base Cellar (définitions des rendements η₄ et η₁, régimes d'essai, exigence η_s ≥ 86 %, classes d'efficacité) ; polynômes thermodynamiques NASA (B. J. McBride, M. J. Zehe, S. Gordon, NASA/TP-2002-211556) et enthalpies de formation CODATA, par le socle ; constante de Henry du CO₂ (R. Sander, Atmospheric Chemistry and Physics 15, 4399, 2015) et première acidité de l'acide carbonique, pK_a1 = 6,35 à 25 °C (valeur usuelle des tables) ; méthode des unités de transfert et analogie de Lewis, formules classiques des transferts thermiques (F. P. Incropera, D. P. DeWitt et al., Fundamentals of Heat and Mass Transfer, Wiley) ; chapitres 2, 8, 17, 22, 26, 37, 48 et 61 du cours. Installation de référence : le modèle commun du cours, avec le modèle commun du cours. Tous les nombres viennent du modèle du cours, qui les importe ; la chaudière de 24 kW, l'entrée des fumées à 700 °C et le différentiel de 5 K sont des valeurs d'exemple.