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

Le coût sans cesse croissant de l'énergie a 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 une efficacité de plus de 100%. Comment arrivez-vous à y parvenir? Quel est le principe de fonctionnement d'une chaudière gaz à condensation? Quels sont ses avantages et ses inconvénients? Après avoir lu notre article, vous en saurez tout ou presque.

Le 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 de fonctionnement de ce dernier est extrêmement simple, et donc compréhensible même pour des personnes peu familiarisées avec la physique et la technologie. Le combustible de la chaudière à gaz, comme son nom l'indique, 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 une grande quantité d'énergie est libérée. La chaleur générée est utilisée pour chauffer le liquide de refroidissement - l'eau industrielle qui circule dans le système de chauffage domestique.

Le rendement d'une chaudière à gaz à convection est d'environ 90%. Ce n'est pas si mal, au moins plus élevé que celui des générateurs de chaleur à combustible liquide et solide. Cependant, les gens ont toujours cherché à rapprocher cet indicateur du 100% le plus cher possible. À cet égard, la question se pose: où vont les 10% restants? La réponse, hélas, est prosaïque: ils s'envolent dans le tuyau. En effet, les produits de la 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 que nous perdons est dépensée pour chauffer l'air extérieur de la maison.

Les scientifiques et les ingénieurs recherchent depuis longtemps la possibilité d'une récupération de chaleur plus complète, cependant, une méthode pour l'incorporation technologique de leurs développements théoriques a été trouvée il y a seulement 10 ans, lors de la création d'une chaudière à condensation.

Quelle est sa différence fondamentale par rapport à un générateur de chaleur traditionnel à gaz à convection? Ayant achevé le processus principal de combustion du combustible et de transfert d'une partie importante de la chaleur dégagée au cours de ce processus vers l'échangeur de chaleur, le condenseur atteint les gaz de combustion à 50-60 ° C, c'est-à-dire au point où le processus de condensation de l'eau commence. Déjà, cela suffit pour augmenter considérablement l'efficacité, dans ce cas, la quantité de chaleur transférée au liquide de refroidissement. Mais ce n'est pas tout.

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

Les fabricants de générateurs de chaleur à condensation attirent invariablement l'attention de leurs clients potentiels sur le rendement inhabituellement élevé de leurs appareils - supérieur à 100%. Comment est-ce possible? En fait, il n'y a pas de contradiction avec les canons de la physique classique. 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 qui est transférée au liquide de refroidissement. La chaleur «absorbée» dans une chaudière conventionnelle et la chaleur provenant du refroidissement profond des gaz de combustion donneront un total de 100% d'efficacité.Mais si on ajoute ici aussi la chaleur dégagée lors de la condensation de la vapeur, on obtient ~ 108-110%.

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

Il s'ensuit qu'un coefficient de performance supérieur à 100% n'est qu'une décision délicate de la part des spécialistes du marketing qui exploitent l'imperfection d'une formule de calcul obsolète. Néanmoins, il convient de reconnaître que le condenseur, contrairement à une chaudière à convection conventionnelle, parvient à «extraire» tout ou presque tout le processus de combustion du combustible. Les points positifs sont évidents - une efficacité accrue et une consommation moindre de ressources fossiles.

L'appareil des principaux composants de la chaudière à condensation

D'un point de vue structurel, la chaudière à condensation n'est pas beaucoup, 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 de pompage d'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 à 57 ° C;
• échangeur de chaleur n ° 2 (échangeur de chaleur à condensation);
• réservoir de collecte des condensats;
• cheminée pour l'évacuation des fumées froides;
• une pompe pour faire circuler 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 à cela que ressemblent les chaudières à gaz à convection conventionnelles). Ensuite, le mélange de fumées est dirigé de force vers l'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 de chaleur, "donnant le dernier". Les condensats sont collectés dans un réservoir spécial, d'où ils s'écoulent par le tuyau de vidange dans l'égout.

L'eau, qui agit comme liquide de refroidissement, se déplace dans la direction opposée 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. Il entre ensuite dans l'échangeur de chaleur primaire, 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 d'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 ces chaudières (et principalement des échangeurs de chaleur à condensation), des matériaux résistants aux acides sont utilisés - acier inoxydable ou silumin (alliage aluminium-silicium). L'échangeur de chaleur, en règle générale, est fabriqué en fonte, car les soudures sont un endroit vulnérable - c'est là que le processus de destruction par corrosion du matériau commence.

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 d'autre part, il affecte de manière destructrice le matériau de la cheminée. C'est pour cette dernière raison que la cheminée est en acier inoxydable ou en plastique résistant aux acides, et une légère pente est attachée à ses sections horizontales afin que l'eau formée lors de la condensation des quantités insignifiantes de vapeur qui tombent néanmoins dans la cheminée soit évacuée dans la chaudière. Il faut tenir compte du fait que les fumées sortant du condenseur sont très refroidies, et tout ce qui ne s'est pas condensé dans la chaudière sera nécessairement condensé dans la cheminée.

À différents moments de la journée, une quantité différente de chaleur est requise de la chaudière de chauffage, qui peut être réglée 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, de sa construction et de son principe de fonctionnement. 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 parlerons de tous les avantages et inconvénients, 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 finalement la popularité croissante de ce type d'équipement de chauffage:

• Économie de carburant par rapport à une chaudière à convection conventionnelle, elle peut atteindre 35%.
• Réduction des émissions dans la transition des modèles gaz traditionnels aux modèles à condensation, il est estimé à 70% en moyenne.
• Basse température des fumées 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 plus en détail de certains des avantages énumérés des chaudières à condensation.

Économie de carburant lorsqu'il est utilisé 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 maximale de gaz de 2,85 m suffira³/ h Une chaudière classique de même puissance consommera 3,25 m³/ h À condition que la chaudière fonctionne pendant six mois sur douze, vous économiserez environ 3000 roubles par an. (aux prix actuels du gaz principal pour les consommateurs russes). Il est probablement difficile d'appeler une telle économie significative - elle ne couvrira même pas les différences dans le coût de l'entretien annuel des chaudières.

Mais regardons la situation à travers les yeux du consommateur européen moyen, qui coûte quatre à cinq (voire plus) le prix du gaz naturel. Le montant des économies 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, du dioxyde de carbone se forme 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 composés de soufre, de phosphore, d'azote et d'un certain nombre d'autres éléments. Au cours du processus de combustion, des oxydes correspondants sont formés à partir d'eux, qui, lorsqu'ils sont combinés avec de l'eau, produisent également des acides.

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

Chaudière à condensation

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

• prix élevé;
• le coût élevé de l'échangeur de chaleur (et, par conséquent, la nécessité de surveiller attentivement l'état de l'ensemble du système de chauffage);
• inadéquation de l'utilisation dans les systèmes à haute température;
• difficulté à récupérer les condensats;
• 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 bien connu est plusieurs fois plus élevé que le coût d'une unité classique de même puissance. Bien sûr, ces équipements sont achetés pour plus d'une décennie, ce qui signifie qu'il est logique de privilégier les technologies innovantes qui améliorent le confort de fonctionnement.

Classiquement, 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 comprennent, par exemple, des modèles de marques allemandes. Cet équipement est efficace en fonctionnement et pratique en fonctionnement, répond aux normes environnementales européennes, fait de matériaux de haute qualité. Les chaudières «Premium» ont de nombreuses fonctions utiles qui augmentent considérablement le niveau de confort lors de leur fonctionnement: programmation des modes de fonctionnement (par exemple, maintien de la température ambiante à un niveau minimum en l'absence d'hôtes ou une légère baisse de température la nuit), régulation en fonction des conditions météorologiques, 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 respectueuses de l'environnement qui répondent à toutes les exigences et offrent des performances élevées. Ils se distinguent par une large gamme de fonctions, équipées d'un système de contrôle automatique qui modifie indépendamment les paramètres en fonction de la température du liquide de refroidissement et de l'air dans la pièce.

3. La classe économique est conçue pour ceux qui, par souci d'économie, sont prêts à accepter un niveau de confort inférieur. Les marchandises en vrac sont toujours en tête des ventes. Les positions de leader sur le marché des chaudières à condensation de classe économique appartiennent aux sociétés coréennes et slovaques. Leurs produits sont deux fois ou moins moins chers que les modèles haut de gamme. Un autre avantage de cet équipement est son adaptabilité aux conditions de fonctionnement russes. Les condensateurs bon marché avec une fonctionnalité simple supportent calmement les pannes de courant et les chutes de pression lorsque l'automatisation coûteuse cesse de fonctionner.

Pour évaluer vos capacités financières, vous devez prendre en compte les 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, cette économie est si fantomatique que l'investissement ne sera pas rentable bientôt. Cela signifie qu'avant d'acheter de la chaleur de condensation, il convient de faire une évaluation préliminaire: si le coût du combustible économisé justifiera le prix élevé de l'équipement.

Un effet économique positif de l'acquisition d'une telle chaudière ne devrait être prévu que sous certaines conditions - si elle est installée dans une nouvelle maison (lire «en construction») conçue pour une résidence permanente avec un système de chauffage à basse température organisé de chauffage par le sol. De plus, l'ampleur de l'effet dépend directement de la température hivernale moyenne, c'est-à-dire de la région où se trouve la maison (le principe est simple: plus il faut de chaleur, plus il y a de sens dans une telle technique).

Le coût élevé de l'échangeur de chaleur 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 acheter un nouvel échangeur de chaleur et payer les travaux pour le remplacer, vous pourriez 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 lorsqu'il se bouche. Lors de l'installation d'une chaudière à condensation, il est nécessaire de vérifier l'ensemble du système de chauffage - il ne doit pas y avoir de tuyaux et de radiateurs rouillés.

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

Le condensat contenant des acides, l'échangeur thermique doit pouvoir résister à leurs effets. Le plus souvent, les échangeurs de chaleur sont en siluminum et en acier inoxydable de haute qualité. L'échangeur de chaleur de silumin est produit en coulant du métol. En raison du coût inférieur du matériau et de la technologie de production, ces échangeurs de chaleur sont moins chers que les échangeurs de chaleur en acier inoxydable. Mais il y a un inconvénient à ces échangeurs de chaleur - ils sont moins résistants aux environnements acides agressifs.

Les échangeurs de chaleur en acier inoxydable sont produits 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 ajoutent de la fiabilité à l'équipement.

Utilisation inappropriée dans les systèmes à haute température

L'efficacité promise de 108-110% ne peut pas toujours être obtenue - le chiffre réel dépend du système de chauffage. Il existe deux types de systèmes de chauffage fondamentalement différents - à haute et à basse température. 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 à haute température conventionnels, le rapport de la température de l'eau fournie à l'eau de retour est généralement de 75-80 ° C à 55-60 ° C. Un système avec une chaudière à condensation n'est efficace qu'en mode basse température, c'est-à-dire lorsque le rapport des températures d'alimentation et de retour est de 50-55 ° C à 30-35 ° C. Ce ratio est idéal si le chauffage de la maison est effectué à l'aide du chauffage au sol. Sinon, pour chauffer la pièce, il sera nécessaire d'installer des radiateurs supplémentaires avec une augmentation de 2,5 à 3 fois la surface utile, 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. L'efficacité de la chaudière dans un système de chauffage à basse température (la 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 le rendement tombera à 98-99% - c'est plus qu'avec les chaudières à convection conventionnelles, mais moins qu'il ne pourrait l'être.

Ainsi, si vous souhaitez tirer le maximum d'avantages 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 la reconstruction inévitable 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 est à nouveau une dépense considérable et l'effet économique de l'ensemble de l'entreprise est perdu).

Difficulté de récupération des condensats

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

Rappelons que le condensat est une solution d'acides, ce qui signifie que la question de savoir où le mettre n'est pas du tout vide. C'est bien si votre maison est raccordée à un système d'égouts centralisé. Même selon des normes européennes strictes, les chaudières d'une puissance allant jusqu'à 28 kW ne nécessitent pas d'élimination spéciale des condensats. On suppose que cette quantité de condensat est suffisamment diluée avec 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.Le déversement sur le sol est inacceptable - la salinisation du sol se produira et, avec le temps, rien ne se développera à cet endroit. Il est extrêmement difficile de transporter 70 litres par jour pour l'élimination. Il n'y a qu'une seule issue: prévoir son propre système séparé 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 pot catalytique est automatiquement acheté lors de l'installation d'une chaudière à condensation.

Sensibilité à la qualité de l'air

Un point important auquel vous devez faire attention si vous voulez que votre chaudière fonctionne normalement est 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, 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 qui pompe l'air dans le brûleur. Par ailleurs, l'élimination des produits de combustion en eux est également effectuée de force. Les masses d'air circulent, en règle générale, à travers une cheminée coaxiale, qui est une construction pipe-in-pipe. L'air d'admission se déplace à travers la cavité externe de la cheminée, les produits d'échappement de la combustion - à travers 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).

Une grande importance pour le fonctionnement normal de la chaudière à condensation est non seulement la propreté, mais aussi la température extérieure. Si l'air est accessible dans le système par un tuyau de cheminée coaxial, alors, comme le montre la pratique, le conduit d'air d'admission en hiver, par le gel, peut geler, car la température des gaz de combustion est assez basse et ils ne sont pas en mesure de réchauffer les parois de la cheminée. Cela conduit à une diminution de l'apport d'oxygène nécessaire à la combustion du carburant et, par conséquent, à une diminution de l'efficacité de l'équipement.

Pour éviter que cela ne se produise et que vous n'ayez pas à chauffer périodiquement les tuyaux pour les libérer de la glace, le calcul du système, son installation, son démarrage et sa configuration doivent être effectués par des spécialistes de service certifiés. Pour ajuster le paramètre responsable de l'apport d'air en quantité nécessaire pour brûler du combustible dans une chaudière d'une puissance donnée, ils utilisent un analyseur de gaz. Sans un tel équipement spécial, l'efficacité requise de la chaudière ne peut être atteinte. En outre, les résidents des zones soumises à des conditions climatiques difficiles, lorsqu'ils décident d'installer une chaudière à condensation, devraient demander des éclaircissements aux représentants du fabricant sur la possibilité de faire fonctionner un tel équipement à une gamme donnée de températures extérieures locales.

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