Chaudières à gaz à condensation - principe de fonctionnement, avantages et inconvénients

Les coûts énergétiques en constante augmentation ont poussé les scientifiques et les ingénieurs à créer un nouveau type de générateur de chaleur: une chaudière à condensation. Lorsqu'il est installé dans un système de chauffage à basse température, le condensateur peut afficher un rendement supérieur à 100%. Comment faites-vous pour y parvenir? Quel est le principe de fonctionnement d'une chaudière à gaz à condensation? Quels sont ses avantages et inconvénients? Après avoir lu notre article, vous apprendrez tout ou presque.

Principe de fonctionnement de la chaudière à condensation

La chaudière à condensation est le frère cadet de la chaudière à convection à gaz la plus conventionnelle. Le principe d'action de ce dernier est extrêmement simple, et donc compréhensible même pour les personnes peu familiarisées avec la physique et la technologie. Comme son nom l'indique, le combustible de la chaudière à gaz est du gaz naturel (principal) ou liquéfié (ballon). Lors de la combustion du carburant bleu, ainsi que de toute autre matière organique, du dioxyde de carbone et de l'eau se forment et libèrent une grande quantité d'énergie. La chaleur générée est utilisée pour chauffer le liquide de refroidissement - eau industrielle circulant dans le système de chauffage domestique.

L'efficacité d'une chaudière à convection à gaz est d'environ 90%. Ce n'est pas si grave, du moins plus élevé que celui des générateurs de chaleur à combustible solide et liquide. Cependant, les gens ont toujours cherché à ramener cet indicateur le plus près possible des 100% souhaités. À cet égard, la question se pose: où vont les 10% restants? La réponse, hélas, est prosaïque: ils volent dans le tuyau. En effet, les produits de combustion des gaz sortant du système par la cheminée sont chauffés à une température très élevée (150-250 ° C), ce qui signifie que 10% de l’énergie perdue est consacrée au chauffage de l’air extérieur.

Les scientifiques et les ingénieurs recherchent depuis longtemps la possibilité d'une récupération plus complète de la chaleur. Cependant, une méthode permettant de mettre en pratique leurs développements théoriques n'a été trouvée il y a que 10 ans, avec la création d'une chaudière à condensation.

Quelle est sa différence fondamentale avec un générateur de chaleur à gaz à convection traditionnel? Après avoir achevé le processus principal de combustion du combustible et transféré une partie importante de la chaleur dégagée au cours de ce processus vers l’échangeur thermique, le condenseur atteint les gaz de combustion à 50-60 ° C, c.-à-d. au point où le processus de condensation commence. Cela suffit déjà pour augmenter considérablement l'efficacité, dans ce cas la quantité de chaleur transférée au liquide de refroidissement. Cependant, ce n'est pas tout.

À une température de 56 ° C - au point dit de rosée -, l’eau passe de l’état vaporeux à l’état liquide, c’est-à-dire que la vapeur d’eau se condense. Dans ce cas, de l'énergie supplémentaire est libérée, qui a été dépensée en temps voulu pour l'évaporation de l'eau et dans les chaudières à gaz ordinaires perdues en même temps que le mélange vapeur-gaz volatilisé. Une chaudière à condensation est capable de «capter» la chaleur générée lors de la condensation de la vapeur d'eau et de la transférer sur le caloporteur.

Les fabricants de générateurs de chaleur à condensation attirent invariablement l'attention de leurs clients potentiels sur l'efficacité exceptionnellement élevée de leurs appareils - supérieure à 100%. Comment est-ce possible? En fait, il n’ya pas de contradiction avec les canons de la physique classique. Juste dans ce cas, ils utilisent un système de règlement différent.

Souvent, en évaluant l'efficacité des chaudières de chauffage, ils calculent la quantité de chaleur dégagée transférée au liquide de refroidissement. La chaleur "absorbée" dans une chaudière conventionnelle et la chaleur provenant du refroidissement en profondeur des gaz de combustion donneront un rendement total de 100%.Mais si nous ajoutons ici également la chaleur dégagée lors de la condensation de la vapeur, nous obtenons environ 108-110%.

Du point de vue de la physique, de tels calculs ne sont pas entièrement vrais. Lors du calcul du rendement, il est nécessaire de prendre en compte non pas la chaleur libérée, mais l'énergie totale libérée lors de la combustion d'un mélange d'hydrocarbures d'une composition donnée. Cela inclura l'énergie dépensée pour la conversion de l'eau en un état gazeux (ensuite libéré pendant le processus de condensation).

Il s’ensuit qu’un coefficient de performance supérieur à 100% n’est qu’un geste délicat pour les spécialistes du marketing qui exploitent l’imperfection d’une formule de calcul dépassée. Néanmoins, il convient de noter que le condenseur, contrairement à une chaudière à convection classique, parvient à «écraser» la totalité ou la quasi-totalité du processus de combustion du combustible. Les aspects positifs sont évidents: efficacité accrue et consommation réduite de ressources fossiles.

Le dispositif des composants principaux de la chaudière à condensation

Du point de vue structurel, la chaudière à condensation n’est pas très grande mais reste différente de la chaudière à gaz habituelle. Ses principaux éléments sont:

• une chambre de combustion équipée d'un brûleur, d'un système d'alimentation en carburant et d'un ventilateur pour pomper de l'air;
• échangeur de chaleur n ° 1 (échangeur de chaleur primaire);
• une chambre pour refroidir davantage le mélange gaz-vapeur à une température aussi proche que possible de 56-57 ° C;
• échangeur de chaleur n ° 2 (échangeur de chaleur à condensation);
• réservoir de récupération des condensats;
• cheminée pour l'élimination des gaz de combustion froids;
• une pompe pour la circulation de l'eau dans le système.

Dans l'échangeur de chaleur primaire couplé à la chambre de combustion, les gaz dégagés sont refroidis à une température nettement supérieure au point de rosée (en fait, c'est ce que sont les chaudières à gaz à convection classiques). Ensuite, le mélange de gaz de combustion est forcé dans un échangeur de chaleur à condensation où il est refroidi à une température inférieure au point de rosée, c'est-à-dire inférieure à 56 ° C. Dans ce cas, la vapeur d'eau se condense sur les parois de l'échangeur thermique, "donnant le dernier". Le condensat est collecté dans un réservoir spécial, d'où il s'écoule par le tuyau de drainage dans l'égout.

L'eau, qui sert de liquide de refroidissement, se déplace dans le sens opposé au mouvement du mélange vapeur-gaz. L'eau froide (eau de retour du système de chauffage) est préchauffée dans un échangeur de chaleur à condensation. Ensuite, il entre dans l'échangeur de chaleur principal, où il est chauffé à une température plus élevée spécifiée par l'utilisateur.

Condensat - hélas, pas de l'eau pure, comme beaucoup le croient, mais un mélange d'acides inorganiques dilués. La concentration en acides dans le condensat est faible, mais compte tenu du fait que la température dans le système est toujours élevée, il peut être considéré comme un liquide agressif. C'est pourquoi, dans la fabrication de telles chaudières (et principalement d'échangeurs de chaleur à condensation), des matériaux résistant aux acides sont utilisés - acier inoxydable ou silumin (alliage aluminium-silicium). En règle générale, l'échangeur de chaleur est fabriqué en fonte, car les soudures constituent un point vulnérable. C'est ici que commence le processus de destruction du matériau par corrosion.

La vapeur doit être condensée précisément sur l’échangeur de chaleur à condensation. Tout ce qui est allé plus loin dans la cheminée, d’une part, est perdu pour le chauffage, et de l’autre, il affecte de manière destructive le matériau de la cheminée. C’est pour cette dernière raison que la cheminée est en acier inoxydable ou en plastique résistant aux acides. Ses sections horizontales sont légèrement inclinées, de sorte que l’eau formée lors de la condensation des quantités négligeables de vapeur qui tombent néanmoins dans la cheminée est évacuée dans la chaudière. Il faut tenir compte du fait que les gaz de combustion sortant du condenseur sont très refroidis et que tout ce qui ne s'est pas condensé dans la chaudière sera nécessairement condensé dans la cheminée.

À différents moments de la journée, la chaleur requise par la chaudière est différente, ce qui peut être réglé à l'aide d'un brûleur. Le brûleur de la chaudière à condensation peut être modulé, c'est-à-dire avec la possibilité d'un changement de puissance en douceur pendant le fonctionnement ou non simulé - avec une puissance fixe. Dans ce dernier cas, la chaudière s'adapte aux exigences du propriétaire en modifiant la fréquence du brûleur. Sur la plupart des chaudières modernes conçues pour chauffer des maisons privées, des brûleurs simulés sont installés.

Nous espérons donc que vous avez une idée générale de ce qu’est une chaudière à condensation, comment elle est construite et selon quel principe cela fonctionne. Cependant, très probablement, ces informations ne seront pas suffisantes pour comprendre si vous devez acheter personnellement un tel équipement. Pour vous aider à prendre telle ou telle décision, nous vous expliquerons tous les avantages et inconvénients, ainsi que les avantages et inconvénients d’une chaudière à condensation, en la comparant à une chaudière à convection traditionnelle.

Les avantages d'une chaudière à condensation

La liste des avantages de la chaudière à condensation est impressionnante, ce qui explique en fin de compte la popularité croissante de ce type d'équipement de chauffage:

• Économie de carburant par rapport à une chaudière à convection conventionnelle peut atteindre 35%.
• Réduction des émissions dans la transition des modèles de gaz traditionnels aux modèles de condensation, il est estimé à 70% en moyenne.
• Faible température des gaz de combustion permet d’installer des cheminées en plastique, beaucoup moins chères que l’acier classique.
• Faible bruit augmente le niveau de confort des personnes vivant dans la maison.

Parlons de certains des avantages énumérés des chaudières à condensation de manière plus détaillée.

Économie de carburant en cas d'utilisation dans des systèmes à basse température

La consommation de carburant dépend directement de la puissance de l'équipement et de la charge affectée au système de chauffage. Pour chauffer une maison d'une superficie de 250 m² une chaudière à condensation de 28 kilowatts avec une consommation de gaz maximale de 2,85 m suffira³/ h Une chaudière classique de même puissance consommera 3,25 m³/ h À condition que la chaudière fonctionne six mois sur douze, vous économiserez environ 3 000 roubles par an. (aux prix actuels du gaz principal pour les consommateurs russes). Il est probablement difficile d'appeler une telle économie importante - cela ne couvrira même pas les différences dans les coûts de maintenance annuelle des chaudières.

Mais examinons la situation du point de vue du consommateur européen moyen, qui coûte quatre à cinq fois (voire plus) le prix du gaz naturel. Le montant des économies réalisées dans ce cas est déjà d’environ 300 euros et cela vaut la peine de se battre.

Consommation de gaz dans les chaudières à condensation de différentes capacités:

Réduction des émissions

Lors de la combustion de combustibles fossiles, il se forme du dioxyde de carbone qui, lorsqu'il réagit avec de l'eau, donne du dioxyde de carbone. De plus, dans tout carburant, il y a toujours des impuretés de soufre, phosphore, azote et quelques autres éléments. Au cours du processus de combustion, ils forment des oxydes qui, combinés à de l’eau, produisent également des acides.

Dans les chaudières à convection classiques, de la vapeur d'eau contenant un mélange d'acides (carbonique, sulfurique, nitrique, phosphorique) est rejetée dans l'atmosphère. Les chaudières à condensation n'ont pas cet inconvénient: des acides restent dans le condensat. Cependant, compte tenu des problèmes liés à l'utilisation du condensat, la notoriété écologique de cet équipement peut être remise en question.

Contre chaudière à condensation

La chaudière à condensation, malgré tous ses avantages, ne peut pas être qualifiée d’équipement de chauffage idéal, car elle n’est pas sans inconvénients:

• prix élevé;
• le coût élevé de l'échangeur de chaleur (et, par conséquent, la nécessité de surveiller de près l'état de l'ensemble du système de chauffage);
• manque d'efficacité dans les systèmes à haute température;
• difficulté à récupérer le condensat;
• sensibilité à la qualité de l'air.

Prix

Pour un pourcentage supplémentaire d'énergie thermique, vous devez payer. Techniquement, une chaudière à condensation est plus compliquée et donc plus chère. Le coût d'un bon condensateur domestique d'un fabricant renommé est plusieurs fois supérieur au coût d'un appareil classique de même puissance. Bien entendu, ces équipements sont achetés pour plus d'une décennie, ce qui signifie qu'il est logique de privilégier les technologies innovantes qui augmentent le confort d'utilisation.

Conventionnellement, tous les modèles de chaudières à condensation peuvent être divisés en trois catégories de prix: premium, moyenne et classe économique:

1. La classe premium est conçue pour quelques acheteurs. Les chaudières à condensation Premium incluent, par exemple, des modèles de marques allemandes. Cet équipement est efficace et pratique, conforme aux normes environnementales européennes, composé de matériaux de haute qualité. Les chaudières "Premium" ont de nombreuses fonctions utiles qui augmentent considérablement le confort lors de leur fonctionnement: programmation des modes de fonctionnement (maintien de la température ambiante au minimum en l'absence d'hôtes ou diminution légère de la température la nuit, par exemple), régulation en fonction de la météo, interaction intelligente avec d'autres générateurs de chaleur , télécommande à l'aide d'un programme spécial sur un téléphone portable, etc. Le seul point négatif est le prix élevé.

2. La classe moyenne comprend des produits moins chers, mais avec des qualités de consommation légèrement plus modestes. Ce sont des unités économiques et écologiques qui répondent à toutes les exigences et offrent des performances élevées. Ils se distinguent par une large gamme de fonctions, équipés d'un système de contrôle automatique qui modifie indépendamment les paramètres en fonction de la température du liquide de refroidissement et de l'air de la pièce.

3. La classe économique est conçue pour ceux qui, par souci d'économie, sont prêts à supporter un niveau de confort moindre. Les produits en vrac sont toujours en tête des ventes. Les positions dominantes sur le marché des chaudières à condensation de classe économique appartiennent aux sociétés coréennes et slovaques. Leurs produits sont au moins deux fois moins chers que les modèles haut de gamme. Un autre avantage de cet équipement est son adaptabilité aux conditions de fonctionnement russes. Les condensateurs peu coûteux dotés de fonctionnalités simples résistent calmement aux pannes de courant et aux chutes de pression lorsque l'automatisation coûteuse cesse de fonctionner.

Pour évaluer vos capacités financières, vous devez tenir compte des coûts inévitables d’installation et de mise en service des équipements, qui vous coûteront également très, très cher.

Il ne faut pas oublier que pendant le fonctionnement, la chaudière à condensation permet des économies de gaz. Cependant, ces économies sont si fantomatiques que l'investissement ne sera pas rentable à court terme. Cela signifie qu'avant d'acheter de la chaleur de condensation, il est utile de faire une évaluation préliminaire: le coût du combustible économisé justifiera-t-il le prix élevé de l'équipement.

L’achat d’une telle chaudière ne devrait avoir d’effet économique positif que dans certaines conditions - s’il est installé dans une maison neuve («en construction») conçue pour la résidence permanente avec un système de chauffage organisé à basse température et par le sol. De plus, l’ampleur de l’effet dépend directement de la température moyenne en hiver, c’est-à-dire de la région où est située la maison (le principe est simple: plus il faut de chaleur, plus cette technique a du sens.).

Le coût élevé de l'échangeur thermique utilisé

Un échangeur de chaleur est un élément techniquement complexe et coûteux. En cas d'échec, vous, comme on dit, "montez sur la poupée". Pour l'argent que vous dépensez pour l'achat d'un nouvel échangeur de chaleur et pour payer le travail de remplacement, vous pouvez facilement acheter une nouvelle chaudière à convection de la même capacité.

Il en résulte qu'il est nécessaire de surveiller attentivement l'état de l'échangeur de chaleur. Il sera extrêmement difficile de le rincer quand il se bouche.Lors de l'installation d'une chaudière à condensation, il est nécessaire de contrôler l'ensemble du système de chauffage - il ne doit pas y avoir de tuyaux rouillés ni de radiateurs.

La sécurité de l'échangeur thermique dépend également de la qualité du liquide de refroidissement utilisé. L'eau doit être douce, sinon les tubes envahiront rapidement avec une écume de l'intérieur. La présence de rouille dans l'eau, de suspensions étrangères, de sels de calcium et de fer est inacceptable.

Puisque le condensat contient des acides, l'échangeur de chaleur doit pouvoir résister à leurs effets. Le plus souvent, les échangeurs de chaleur sont en silumin et en acier inoxydable de haute qualité. L’échangeur de chaleur Silumin est fabriqué par coulée de métol. En raison du coût moins élevé des matériaux et de la technologie de production, ces échangeurs de chaleur sont meilleur marché que les échangeurs de chaleur en acier inoxydable. Mais ces échangeurs de chaleur présentent un inconvénient: ils sont moins résistants aux environnements acides agressifs.

Les échangeurs de chaleur en acier inoxydable sont fabriqués en soudant des pièces individuelles. Le coût final de ces échangeurs de chaleur est supérieur à celui de la silumin. Cependant, ils résistent mieux aux environnements acides et renforcent la fiabilité des équipements.

Utilisation inappropriée dans les systèmes à haute température

Le rendement promis de 108-110% ne peut pas toujours être obtenu - le chiffre réel dépend du système de chauffage. Il existe deux types de systèmes de chauffage fondamentalement différents: la température élevée et la température basse. Ils diffèrent par la plage de température du liquide de refroidissement à l'entrée et à la sortie du générateur de chaleur.

Dans les systèmes de chauffage conventionnels à haute température, le rapport entre la température de l'eau fournie et celle de l'eau de retour est généralement compris entre 75 et 80 ° C et entre 55 et 60 ° C. Un système avec une chaudière à condensation n’est efficace que dans le mode basse température, c’est-à-dire lorsque le rapport entre les températures d'alimentation et de retour est compris entre 50 et 55 ° C et entre 30 et 35 ° C. Ce rapport est idéal si le chauffage de la maison est effectué en utilisant un chauffage par le sol. Sinon, pour réchauffer la pièce, il faudra installer des radiateurs supplémentaires avec une surface utile augmentée de 2,5 à 3 fois, conçus pour une température du liquide de refroidissement ne dépassant pas 50 ° C.

L'efficacité de la chaudière à condensation est déterminée principalement par la température du liquide de refroidissement à l'entrée. Cela s'explique simplement: plus la température de l'eau dans le circuit de retour est basse, plus la condensation se produit de manière intense. L'efficacité de la chaudière dans un système de chauffage à basse température (température d'entrée / sortie est d'environ 30/50 ° C) peut atteindre ces très 108-110%. Si une telle chaudière est conçue pour fonctionner dans un système à haute température (60/80 ° C), il n'y aura pas de condensation et l'efficacité tombera à 98-99% - c'est plus que les chaudières à convection conventionnelles, mais moins que cela ne pourrait être.

Ainsi, si vous souhaitez tirer le meilleur parti du condensateur, la décision de l’installer doit être prise au stade de la conception de la maison. Si vous achetez une telle chaudière pour une maison existante avec un système de chauffage existant, cela signifie inévitablement la reconstruction du bâtiment avec le remplacement d'un système de chauffage par radiateur à haute température par un système de chauffage par le sol à basse température (et une telle réparation à grande échelle représente à nouveau une dépense considérable, et l'impact économique de l'ensemble de l'entreprise est perdu).

Difficulté de récupération du condensat

L'utilisation d'une chaudière à condensation implique l'élimination de condensat. De plus, ce dernier est formé en quantités considérables - un litre par mètre cube de gaz brûlé. Par exemple: une chaudière d’une puissance de 25 kW par heure consomme environ 2,8 m³ gaz, c’est-à-dire qu’en une heure seulement de fonctionnement, un peu moins de 3 litres de condensat seront libérés par jour - 70 litres.

Rappelez-vous que le condensat est une solution d'acides, ce qui signifie que la question de savoir où le mettre n'est pas du tout oisive. C’est bien si votre maison est raccordée à un système d’égout centralisé. Même selon les normes européennes les plus strictes, les chaudières d’une capacité jusqu’à 28 kW ne nécessitent pas d’élimination spéciale du condensat.On suppose qu'une telle quantité de condensat est suffisamment diluée dans les eaux usées domestiques pour ne pas endommager les canalisations d'égout.

Mais que font les propriétaires de maisons privées avec égout autonome? Il est impossible de verser dans une fosse septique - des bactéries bénéfiques (et coûteuses) mourront. Il est inacceptable de verser sur le sol - la salinisation du sol se produira et, avec le temps, rien ne poussera dans cet endroit. Il est extrêmement difficile de transporter 70 litres par jour en vue de leur élimination. Il n'y a qu'un moyen de sortir - prévoir son propre système distinct pour neutraliser les acides contenus dans le condensat. En Occident, où les exigences de conformité aux normes environnementales sont plus strictes que les nôtres, un convertisseur catalytique est automatiquement acheté lors de l’installation d’une chaudière à condensation.

Sensibilité à la qualité de l'air

Si vous souhaitez que votre chaudière fonctionne normalement, il est important de prendre en compte l'élimination des produits de combustion et l'accès à l'air de combustion.

L'une des différences entre les chaudières à condensation et à convection est l'utilisation d'une chambre de combustion fermée. Les chaudières à convection prennent l'air de la pièce, les chaudières à condensation de la rue. Dans le premier cas, la circulation naturelle de l'air (convection) est utilisée pour saturer le mélange air-carburant avec de l'oxygène, et dans le second, un ventilateur est fourni pour pomper de l'air dans le brûleur. L'élimination des produits de combustion dans ceux-ci, d'ailleurs, est également effectuée de force. Les masses d'air circulent généralement dans une cheminée coaxiale, qui est une construction pipe-in-pipe. L'air aspiré se déplace dans la cavité externe de la cheminée, les produits d'échappement de la combustion, dans l'intérieur.

Il résulte de tout cela que les condensateurs doivent être très sensibles à la qualité de l'air d'admission. La présence d'une quantité notable de poussière dans l'air entraîne une usure rapide de la turbine (ventilateur).

Le bon fonctionnement de la chaudière à condensation est d’une importance capitale non seulement pour la propreté, mais aussi pour la température extérieure. Si l’air pénètre dans le système par un tuyau de cheminée coaxial, alors, comme le montre la pratique, les conduits d’admission d’air en hiver, en cas de gelée, peuvent geler, car la température des gaz de combustion est assez basse et qu’ils ne peuvent pas réchauffer les parois de la cheminée. Cela entraîne une diminution de l'apport en oxygène nécessaire à la combustion du carburant et, par conséquent, une diminution du rendement de l'équipement.

Pour éviter que cela ne se produise et qu'il ne soit pas nécessaire de chauffer périodiquement les canalisations pour les libérer de la glace, le calcul du système, son installation, sa mise en service et sa configuration doivent être effectués par des techniciens agréés. Pour ajuster le paramètre responsable de l'apport d'air en quantité nécessaire à la combustion du combustible dans une chaudière d'une puissance donnée, ils utilisent un analyseur de gaz. Sans cet équipement spécial, l'efficacité requise de la chaudière ne peut être atteinte. De plus, les résidents des zones soumises à des conditions climatiques difficiles doivent décider, lors de l'installation d'une chaudière à condensation, des éclaircissements auprès des représentants du fabricant sur la possibilité de faire fonctionner ces équipements dans une plage donnée de températures extérieures locales.