LES CHAUDIERES A MAZOUT MODULANTES: UN ETAT DES LIEUX

DIFFERENTES TECHNIQUES

Avant, toutes les chaudières à mazout étaient du type on/off: le brûleur dans la chaudière tourne à pleine puissance jusqu'à ce que la température souhaitée soit atteinte, puis se coupe. Par la suite, le brûleur à deux étages a été introduit en guise d'alternative, avec une position supplémentaire entre la position on et off. Dans la pratique, le brûleur à deux étages ne doit pas tou­jours tourner à pleine puissance, mais peut aussi chauffer à une puissance moins élevée (environ 60% de la puis­sance nominale) (les brûleurs à deux étages ne sont habituellement disponibles qu'en des puissances plus élevées et ne se prêtent pas aux installations résidentiel­les). Le brûleur modulant va encore plus loin et peut ajuster sa puissance en continu et fournir de cette façon la quantité de chaleur néces­saire pour maintenir le bâtiment à température.

LA MODULATION?

Principe

Les utilisateurs de chauffage veulent avoir chaud par tous les temps. Le choix de la puissance de la chaudière est donc basé sur le pire scénario (il faut, par exemple, 21 kW à une température extérieure de -10 °C).

En Belgique, il ne gèle pas toute l'année et la chaudière ne doit dès lors pas tourner chaque jour à plein régime (il ne faut, par exemple, que 14 kW à une température extérieure de 0 °C et que 7 kW à 10 °C; à 20 °C, la chaudière ne doit même pas tourner). Avant, toutes les chaudières à mazout étaient du type on/off: le brûleur dans la chaudière tourne à pleine puissance jusqu'à ce que la température souhaitée soit atteinte, puis se coupe. Par la suite, le brûleur à deux étages a été introduit en guise d'alternative, avec une position supplémentaire entre la position on et off. Dans la pratique, le brûleur à deux étages ne doit pas toujours tourner à pleine puissance, mais peut aussi chauffer à une puissance moins élevée (environ 60% de la puissance nominale) (les brûleurs à deux étages ne sont habituellement disponibles qu'en des puissances plus élevées et ne se prêtent pas aux installations résidentielles).

Le brûleur modulant va encore plus loin et peut ajuster sa puissance en continu et fournir de cette façon la quantité de chaleur nécessaire pour maintenir le bâtiment à température. Le brûleur tournera d'abord à pleine puissance le matin, quand le bâtiment doit chauffer rapidement et réduira sa flamme au fur et à mesure que la température ambiante se rapproche de la température réglée (par exemple à 33% de la puissance nominale). Une telle chaudière modulante dispose d'une régulation surveillant la ∆T entre la température de départ et de retour de l'eau de chauffage (la régulation de la chaudière allume le brûleur le plus efficacement possible pour obtenir la température de l'eau de chaudière souhaitée en cas de ∆T assez grande, par exemple 15 °C au lieu de 10 °C).

En réaction à une ∆T trop petite, le thermostat de chaudière fait moduler le brûleur jusqu'à ce que la différence entre la température d'amenée et de retour soit à nouveau assez grande. La régulation de la chaudière est idéalement combinée avec:

• une régulation à sonde extérieure commandant la chaudière en calculant (de manière proactive) les pertes de chaleur du bâtiment sur la base de la température extérieure;
• un capteur intérieur commandant la chaudière sur la base de la température mesurée dans une pièce de référence;
• des vannes thermostatiques se trouvant sur les corps de chauffe et permettant de réguler la température individuellement dans chaque pièce.
• une pompe CC intelligente: elle tient compte du débit dans l'installation en commandant le système à une pression constante ou proportionnelle (il y a une différence, lorsque six radiateurs sont ouverts au lieu de douze radiateurs)..

POURQUOI UNE CHAUDIÈRE MODULANTE?

Une chaudière capable d'adapter la puissance qu'elle produit à la demande du moment chauffe de manière plus économique et plus silencieuse. La chaudière modulante calcule la température d'eau nécessaire dans le système de chauffage central (ligne de chauffe) pour obtenir et maintenir suffisamment de chaleur dans le bâtiment. Les chaudières on/off et les chaudières à modulation limitée (comme le brûleur à deux étages):

• chauffent généralement l'eau à des températures inutilement élevées, ce qui se traduit par de plus grosses pertes de chaleur (si l'offre de chaleur est plus importante que la demande de chaleur, le surplus de chaleur disparaît par la cheminée) et par une petite ∆T entre la température de départ et de retour (et donc une moins bonne condensation);
• ont un rendement moindre (une chaudière modulante tire plus de rendement d'une faible puissance de chauffe);
• sont connues pour leurs temps de brûleur plus courts (la température de l'eau de chaudière qui est déterminée par la régulation, est atteinte trop vite, ce qui cause le brûleur à s'éteindre. Lorsque la puissance maximale du brûleur n'est pas nécessaire, ceci causera beaucoup de start-stops du brûleur) et donc leurs émissions plus importantes (comme la chaudière s'allume et se coupe souvent, plus de substances nocives sont émises);
• génèrent plus de pertes à l'arrêt (comme l'eau chauffée refroidit, la chaudière doit à nouveau chauffer à pleine ou haute puissance);
• donnent lieu à une durée de vie plus courte des pièces (car l'appareil s'allume et se coupe fréquemment).

Une chaudière modulante remédie à ces inconvénients et comporte encore d'autres avantages.

La chaudière modulante:

• peut être réglée électroniquement. L'air et la pression de la pompe sont réglés via un écran;
• est plus compacte, car le brûleur est intégré dans la chaudière et la flamme du brûleur modulant peut être positionnée verticalement;
• permet l'utilisation d'une évacuation concentrique des gaz brûlés. Le brûleur ne doit pas aspirer d'air ambiant via des grilles ou des ouvertures dans le mur, mais peut aspirer de l'air extérieur via la cheminée. Il y a ainsi un contrôle parfait sur l'air aspiré (on ose parfois boucher les grilles et ouvertures dans le mur). La chaudière produit ainsi aussi moins de bruit à l'intérieur.

GAZ VERSUS MAZOUT: PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT

Technique simple derrière les chaudières à gaz modulantes

Dans le brûleur d'une chaudière à gaz, la flamme se forme en enflammant le bon rapport oxygène/gaz. L'oxygène est aspiré par un ventilateur via un conduit d'aspiration, où il y a un rétrécissement (venturi) sur lequel débouche l'amenée de gaz.

L'air circulant crée dans ce rétrécissement une dépression. Du gaz est, de ce fait, aspiré hors de l'amenée de gaz raccordée au rétrécissement. Le gaz et l'oxygène se mélangent dans le conduit d'aspiration et sont guidés par le ventilateur vers le brûleur à mécanisme d'allumage.

La modulation peut être réalisée simplement en adaptant le régime du ventilateur. C'est possible, car dans le cas d'une chaudière à gaz, le rapport oxygène/gaz est fixe. Plus le ventilateur tourne lentement, moins il y a d'air et donc moins de gaz est aspiré. La chaudière à gaz peut ainsi moduler en profondeur de 100% à 10% de la puissance.

Chaudières à mazout modulantes, une donnée complexe

Le brûleur à mazout classique dispose d'un moteur commandant un ventilateur et une pompe à engrenages à vitesse fixe. Le ventilateur aspire l'air, la pompe à engrenages aspire le mazout de la citerne et l'amène à la bonne pression d'injection. Le débit d'air (régulé avec un clapet) et la pression d'injection sont réglés comme paramètre fixe lors du réglage du brûleur. La buse d'injection vaporise le mazout. Puis, cette fine brume est enflammée via des électrodes. Le transformateur du système d'allumage garantit la conversion de 230 volts à 3.000 à 5.000 volts et de 50 Hz à 50 kHz. La solution la plus évidente pour faire moduler la chaudière à mazout semble consister à faire tourner le moteur plus lentement (moins d'air et moins de mazout), mais dans la pratique, cela ne donne pas le bon rapport oxygène/mazout (l'amenée de l'air de combustion et le débit de mazout doivent pouvoir être réglés individuellement) pour aboutir à une combustion correcte.

Pourquoi les chaudières à mazout modulantes ont-elles tant tardé?

Le principe de fonctionnement de la variante à mazout exige plus de modifications. C'est l'une des raisons pour lesquelles la chaudière à gaz modulante est répandue depuis plus de vingt ans alors que la variante à mazout n'est au point que depuis peu. Une autre raison est le prix. La différence de prix entre une chaudière à gaz modulante et non modulante est infime. La technique derrière une chaudière à gaz modulante est assez simple. Dans le cas du mazout, la différence de prix entre une chaudière modulante et non modulante est bien plus importante (€ 1.000 à 1.500 de différence) pour la plupart des marques. Pourquoi la chaudière à mazout modulante a-t-elle alors tout de même été lancée?

Pour une bonne condensation, la ∆T entre la température de départ et de retour de l'eau de chauffage central doit être la plus grande possible (pour obtenir une température de retour la plus basse possible) et c'est justement un avantage des brûleurs modulants. Un brûleur modulant améliore les performances d'une chaudière à condensation.

DIFFERENTES TECHNIQUES

Les fabricants ayant lancé un brûleur modulant sur le marché ont presque tous élaboré leur propre technique.

Brûleur à évaporation de mazout modulant à pompe à membrane

Le brûleur à évaporation de mazout modulant à pompe à membrane n'est guère différent du brûleur à mazout classique.

• Tandis que le brûleur à mazout classique fonctionne avec un moteur commandant un ventilateur et une pompe à mazout, le moteur du brûleur à évaporation de mazout modulant entraîne un ventilateur et deux pompes: une pompe à mazout et une pompe à membrane. La pompe à mazout aspire le mazout depuis la citerne de stockage et envoie ce mazout à une pression constante (7 bars) vers la pompe à membrane. Celle-ci, se trouvant juste avant la buse d'injection, adapte la pression d'injection (une modulation de 7 à 23 bars est possible).
• Le régime du moteur d'un brûleur classique ne peut pas être réglé (ou de manière limitée). Ici, cela est possible. Ce brûleur à évaporation de mazout modulant dispose d'un moteur à variateur de fréquence à vitesse variable.
• Le régime du moteur a une large plage de réglage.

La modulation du brûleur à évaporation de mazout à pompe à membrane est réalisée en adaptant le régime du moteur. Le moteur commande le ventilateur et les pompes. Un module de commande du moteur dans le brûleur surveille si assez d'air et de mazout sont amenés pour obtenir une combustion correcte et corriger le moteur. Pour réguler la quantité d'air de combustion, la vitesse du ventilateur est adaptée. La pression du mazout est aussi mesurée en continu (par un capteur de pression analogique) et adaptée. L'ajustement se fait en comparant la pression du mazout réelle et la pression du mazout souhaitée indiquée par la commande du moteur. Sur la base de la comparaison, la pompe à membrane adapte la pression de pulvérisation (et donc le débit de mazout). Avec cette technique, on peut moduler avec les composants de brûleur à mazout classiques jusqu'à 59% de la puissance.

Brûleur à mazout modulant à transmetteur de pression

Une autre méthode pour moduler avec les composants de brûleur classiques consiste à utiliser deux moteurs distincts:

• un moteur commande un ventilateur et régule donc l'amenée de l'air de combustion;
• l'autre moteur commande une pompe à mazout et régule l'amenée de combustible.

La modulation est réalisée en adaptant le régime des moteurs.

La vitesse du ventilateur est ajustée en augmentant ou en réduisant le régime du moteur y étant couplé. Cela vaut aussi pour la pompe à mazout à régime variable.

La pression du mazout réelle est mesurée par un capteur de pression (ou transmetteur de pression) et est comparée à la pression du mazout souhaitée. Sur la base de la différence entre les deux mesures de pression, le régime du moteur couplé à la pompe à mazout est adapté. Le brûleur à mazout modulant à transmetteur de pression peut moduler jusqu'à env. 23% de la puissance. Les éléments novateurs par rapport au brûleur classique sont la commande de moteur électronique (le moteur peut ainsi tourner plus vite et plus lentement), une pompe à membrane à vitesse variable (pour réguler le débit de mazout) et un capteur de pression (mesurant la pression de l'amenée de mazout).

Brûleur à évaporation de mazout modulant à buse d'injection rotative

Le principe de fonctionnement du brûleur à évaporation de mazout modulant à buse d'injection rotative est très différent de celui du brûleur à mazout classique. Ce brûleur à évaporation de mazout modulant fait d'abord s'évaporer le mélange de mazout et d'air de combustion, avant de le convertir en chaleur de chauffage. Le brûleur est donc complètement différent aussi d'un brûleur à mazout classique au niveau de la construction.

Le mazout est amené par une pompe externe depuis la citerne à mazout vers une pompe de dosage de combustible à variateur de fréquence. Cette pompe amène le mazout à une certaine pression et à un certain débit vers la buse d'injection rotative.

Un ventilateur à régulation de régime ajoute ici l'air de combustion. La buse d'injection rotative vaporise au niveau de la chambre de prémélange le mélange de mazout et d'air de combustion en très fines gouttelettes. Cette brume est amenée dans la chambre de prémélange à une température élevée par des éléments de chauffe intégrés (et après le démarrage, plus par les éléments de chauffe, mais par la recirculation de gaz brûlés chauds). Cela donne lieu à une gazéification totale du mazout. Ces gaz sont ensuite amenés vers une surface de brûleur cylindrique, où ils sont enflammés (presque sans flamme).

La modulation est réalisée en ajustant le débit que la pompe de dosage à variateur de fréquence injecte dans la buse d'injection. Le régime du ventilateur est adapté en fonction du débit que la pompe injecte et de la température de l'air de combustion aspiré. Cette technique permet de moduler jusqu'à env. 27% de la puissance.

La qualité du mazout est très importante: seuls les combustibles avec une faible teneur en soufre sont autorisés pour ce type de brûleur.

Brûleur à évaporation de mazout modulant à échangeur thermique

Les inventeurs de ce type de brûleur modulant se sont inspirés d'une technique de l'industrie automobile consistant en l'injection du mazout dans l'air de combustion, qui est préchauffé par un échangeur thermique.

Dans le brûleur à évaporation de mazout modulant à échangeur thermique, l'air de combustion est chauffé par un échangeur thermique air-air et se dirige vers la chambre de mélange. Dans la chambre de mélange, un injecteur injecte du mazout dans cet air de combustion chaud. Comme le mazout est injecté dans cet air chaud, le combustible liquide passe directement à l'état gazeux.

Dans le tuyau du brûleur, ce mélange d'air de combustion et de mazout gazeux est enflammé par des électrodes d'allumage et un tapis de flammes est formé. Via la régulation du ventilateur, le régime du ventilateur est réglé de manière à ce que la température de l'air de combustion soit toujours suffisamment élevée pour gazéifier le mazout.

L'injecteur dose le mélange de combustible et influence ainsi la puissance avec l'ouverture et la fermeture de l'injecteur en de très courtes impulsions. On obtient de cette manière une plage de modulation jusqu'à 30% de la puissance totale.

POINTS IMPORTANTS LORS DE L'INSTALLATION

• Dimensionnez la chaudière correctement. Un problème courant est le surdimensionnement de la chaudière (afin qu'il y ait 'à coup sûr assez de puissance'). Une chaudière à mazout modu­lante (et les autres chaudières) avec trop de puissance n'est cependant pas efficace. Une chaudière à mazout ne peut moduler que jusqu'à un certain pourcentage de sa puissance totale (par exemple 30%). Si une chaudière est surdimension­née, elle tournera la plus grosse partie de la saison de chauffage à sa puissance minimale.
• Comme les chaudières à mazout modulantes fonctionnent avec de très bas débits, il faut utiliser une conduite d'aspiration avec un diamètre adapté de 4 à 6 mm, en combinaison avec un filtre de qualité de 20 μm et un dégazeur pour éviter la formation de bulles d'air.