Le chauffage au gaz

3. Nouveaux appareils de chauffage à moyen et à haut rendement

Au cours des 20 dernières années, on a mis sur le marché une nouvelle génération d'appareils de chauffage et de chaudières à gaz à haut rendement énergétique. L'évacuation des produits de combustion, sans air de dilution, est au nombre des différentes caractéristiques de ces appareils. La combustion de gaz naturel dégage certains sous-produits, y compris de la vapeur d'eau et du dioxyde de carbone. Dans un modèle courant d'appareil de chauffage au gaz, ces sous-produits sont évacués par la cheminée, mais une quantité considérable de chaleur (contenue dans les produits de combustion et dans l'air chauffé des pièces) s'échappe également par la cheminée. De la chaleur se perd aussi par la cheminée quand l'appareil est éteint. Les nouveaux modèles ont été modifiés de façon à en accroître l'efficacité énergétique en réduisant la quantité d'air chauffé qui s'échappe par la cheminée, que l'appareil soit en marche ou pas, et à extraire davantage de chaleur contenue dans les sous-produits de combustion avant de les rejeter à l'extérieur.

Ces appareils de chauffage améliorés permettent, par rapport aux modèles courants, des économies d'énergie qu'il vaut la peine de chiffrer en dollars. Le tableau 3, à la page 63, donne une indication du rendement saisonnier et des économies d'énergie propres à divers systèmes de chauffage; utilisez-le pour comparer les économies réalisables à l'achat de matériel. Cela vous aidera à choisir les caractéristiques qui vous permettront d'économiser l'énergie et de réduire le plus possible vos frais de chauffage.

Générateurs d'air chaud à gaz à efficacité normale

Les générateurs d'air chaud à efficacité normale ont un rendement saisonnier d'au moins 78 p. 100, et la plupart ont un rendement de 80 p. 100. Équipés généralement d'un brûleur à aspiration naturelle, ces appareils n'ont pas de veilleuse permanente.

Figure 8 Générateur d'air chaud à gaz à efficacité normale avec ventilateur à tirage aspiré

Les nouveaux appareils de chauffage sont dotés d'un système d'allumage électrique, qui peut être à allumage commandé (à étincelles), à élément chauffant ou de type intermittent. Ces systèmes comportent un dispositif d'allumage qui allume le gaz et actionne électriquement le robinet et les commandes de gaz. Lorsque le thermostat signale une demande de chaleur, les commandes d'allumage ouvrent le robinet de gaz pour admettre le gaz dans la chambre de combustion, et le gaz est alors allumé. On attribue à ces dispositifs des économies d'énergie de 3 à 5 p. 100 par rapport à la consommation des appareils ordinaires à veilleuse permanente.

La plupart des générateurs d'air chaud à efficacité normale ont un dispositif d'évacuation forcée, habituellement constitué d'un ventilateur à tirage aspiré intégré (fig. 8). Grâce à un meilleur échange thermique, à l'absence d'air de dilution et à une forte résistance à l'écoulement pendant les périodes d'arrêt du brûleur, le rendement saisonnier de ces appareils est nettement supérieur à celui des modèles dotés de veilleuses et permet des économies d'énergie de 23 à 28 p. 100. On peut évacuer les produits de combustion de ces systèmes par une cheminée d'une dimension appropriée ou encore par un tuyau passé dans un mur extérieur de la maison et fait d'acier inoxydable de haute qualité. Toutefois, l'utilisation de tuyaux de plastique pour températures élevées servant à évacuer les gaz de combustion des appareils de chauffage à efficacité normale peut poser certains problèmes. Des règlements peuvent en interdire l'utilisation dans votre localité. Vous devriez en discuter avec votre technicien, l'autorité compétente ou un représentant de votre compagnie de gaz.

Il convient de noter que les codes régissant l'installation pourraient exiger que l'appareil ait une alimentation en air de combustion provenant de l'extérieur.

Systèmes à condensation à haut rendement alimentés au gaz.

Les générateurs d'air chaud à condensation alimentés au gaz sont les appareils les plus efficaces offerts sur le marché, avec un rendement saisonnier de l'ordre de 90 à 97 p. 100. Le système à condensation à haut rendement devrait être le nouveau choix que privilégient la plupart des Canadiens, en raison des facteurs suivants :

1. il offre un bon rapport prix-efficacité pour la plupart des régions climatiques du Canada
2. il ne risque pas de connaître certains des problèmes de condensation et de détérioration à long terme du conduit d'évacuation qui surviennent dans les systèmes à efficacité normale
3. il convient mieux à la construction étanche des maisons éconergétiques

Figure 9 Symbole ENERGY STAR

Les systèmes à condensation à haut rendement alimentés au gaz sont les seuls appareils pouvant afficher le symbole ENERGY STAR.

Figure 10 Système à condensation à haut rendement

Dans la plupart des modèles à condensation, le brûleur est semblable à celui d'un appareil ordinaire, le tirage étant assuré par un ventilateur à tirage aspiré (fig. 10). Toutefois, des surfaces d'échange thermique supplémentaires, faites de matériaux anticorrosion (généralement de l'acier inoxydable), extraient la chaleur des sous-produits de combustion avant leur évacuation. Là où se fait la condensation et l'échange thermique, les gaz de combustion sont refroidis au point où leur vapeur d'eau se condense, libérant ainsi plus de chaleur dans la maison. Le condensat est acheminé à un avaloir. Plus besoin de cheminée, ce qui réduit le coût de l'installation.

Les gaz de combustion sont alors suffisamment refroidis pour être évacués par un tuyau en plastique PVC ou ABS traversant un mur extérieur de la maison plutôt que par une cheminée. Avec certains types de combustion et d'échange thermique, on peut économiser jusqu'à 38 p. 100 de combustible de plus comparativement aux anciens appareils de chauffage au gaz dotés de veilleuses. De plus, les émissions polluantes relâchées dans l'environnement sont également réduites.

Un second type de générateur d'air chaud à condensation ou de chaudière fait appel à la technique de la combustion pulsatoire, qui consiste à allumer de petites quantités de gaz naturel à intervalles rapprochés; ce genre d'appareil ressemble pour l'essentiel aux systèmes à condensation précités.

Contrairement aux générateurs d'air chaud ordinaires ou à efficacité normale, dont le rendement diminue lorsqu'ils sont trop puissants, les appareils à condensation sont en fait plus efficaces lorsqu'il y a surcapacité et qu'ils fonctionnent pendant de plus courtes périodes. Par conséquent, si vous optez pour un nouveau générateur d'air chaud à condensation, vous pouvez le prendre un peu plus puissant que ce que requiert votre maison sans être pénalisé sur le plan de l'efficacité.

Combustion hermétique

Dans un système de combustion hermétique, l'air extérieur est acheminé directement à la chambre de combustion par un tuyau, et le générateur d'air chaud n'aspire plus d'air à l'intérieur de la maison pour la combustion ou la dilution des gaz évacués.

Comme il est possible de réduire quelque peu les frais de chauffage en diminuant la quantité d'air chauffé aspiré à l'intérieur de la maison, la combustion hermétique a comme principal avantage d'isoler le système d'air comburant de la maison : le générateur d'air chaud n'est plus touché par le fonctionnement des autres appareils de la maison. Combinée avec le fonctionnement de ventilateurs d'évacuation (notamment les ventilateurs de cuisine et de salle de bains ainsi que les sécheuses), l'étanchéité des maisons éconergétiques peut causer des fuites de gaz de combustion et des refoulements d'air provenant d'appareils alimentés au mazout. Les appareils à combustion hermétique éliminent ce problème.

Étant donné qu'ils sont conçus comme des systèmes à combustion hermétique, la plupart des générateurs à air chaud à haut rendement conviennent bien à la construction étanche des maisons éconergétiques modernes. De façon générale, les appareils qui ne fonctionnent pas selon le mode de tirage aspiré permettent d'éviter la dépressurisation de la maison. Certains modèles de générateurs à air chaud à efficacité normale sont également offerts comme systèmes à combustion hermétique.

Chaudières au gaz sans condensation

Les chaudières résidentielles au gaz actuellement vendues au Canada doivent avoir un AFUE d'au moins 80 p. 100. Quant aux chaudières répondant aux exigences ENERGY STAR, leur AFUE doit être d'au moins 85 p. 100. Voici certaines mesures que les fabricants ont adoptées pour améliorer le rendement des appareils :

• Élimination des veilleuses permanentes. La plupart des chaudières actuellement offertes sur le marché sont équipées d'un dispositif d'allumage intermittent, habituellement l'allumage électronique.
  
  
• Amélioration des niveaux d'isolation. Comme les chaudières emmagasinent plus de chaleur interne que ne le font les générateurs d'air chaud, elles ont tendance à perdre plus de chaleur, aussi bien par leur enveloppe (parois) que par la cheminée, lorsqu'elles ne sont pas en marche. Pour réduire les pertes thermiques par les parois, les nouvelles chaudières sont beaucoup mieux isolées, ce qui permet de garder l'eau chaude.
  
  
• Adoption de meilleures méthodes de commande d'air visant à réduire les pertes à la cheminée. De nombreuses chaudières utilisent un coupe-tirage. Celui-ci est situé en aval de la pompe pour épreuves de la chaudière. Il aspire l'air de la maison dans le conduit d'évacuation des gaz avec les gaz de combustion. Cela stabilise l'écoulement de l'air dans l'appareil, isolant le brûleur des variations de pression extérieures. Mais cela aspire continuellement la chaleur de la chaudière et réchauffe l'air de la maison par la cheminée. En règle générale, un régulateur de tirage est maintenant installé en aval du coupe-tirage pour arrêter l'évacuation lorsque le brûleur n'est pas en marche. Lorsque le brûleur de gaz s'éteint, le régulateur se ferme automatiquement après une courte période; avant que le brûleur se rallume, le régulateur s'ouvre.

D'autres chaudières qui sont équipées de brûleurs à gaz à aspiration ont entièrement éliminé le besoin d'un coupe-tirage en utilisant un système d'évacuation forcée, qui comprend habituellement un ventilateur à tirage aspiré. Grâce à l'absence d'air de dilution, à une forte résistance aux fuites pendant les périodes de marche du brûleur et à un écoulement minimum dans la cheminée durant les périodes d'arrêt, ces appareils ont tendance à être plus performants que ceux munis d'un coupe-tirage et d'un régulateur de tirage.

De nos jours, de nombreuses chaudières au gaz ont remplacé le brûleur à gaz à aspiration naturelle par un brûleur électrique. Elles équipent le brûleur d'un ventilateur afin d'améliorer le processus de combustion et d'assurer le développement et le maintien d'un tirage adéquat. Ces brûleurs, semblables à ceux qui sont utilisés dans les systèmes au mazout de pointe, ont tendance à avoir une pression limitée ou même à obstruer le passage de l'air de combustion lorsque le brûleur est éteint. Cela réduit au minimum les pertes thermiques durant les périodes d'arrêt et ne nécessite pas de registre de tirage clapet. De tels appareils réduisent au minimum l'air de dilution ou ont un système de combustion hermétique, et leur rendement est égal ou supérieur aux modèles à brûleur à aspiration et à système d'évacuation forcée.

Chaudières au gaz à condensation

Les chaudières au gaz à condensation utilisent soit un brûleur à aspiration muni d'un ventilateur à tirage aspiré soit un brûleur électrique, semblable à celui des appareils décrits plus haut. Toutefois, ils sont munis d'un échangeur thermique additionnel fait de matériaux anticorrosion (généralement de l'acier inoxydable) qui extrait la chaleur latente présente dans les sous-produits de combustion en condensant les produits de combustion avant leur évacuation. Plus besoin de cheminée, ce qui réduit le coût d'installation. Les gaz de combustion sont alors suffisamment refroidis pour être évacués par un tuyau de plastique PVC ou ABS traversant un mur extérieur de la maison.

Une chaudière à condensation peut avoir un AFUE de 90 p. 100 ou plus. Mais dans la pratique, les chaudières à condensation des systèmes de chauffage hydroniques (eau chaude) peuvent avoir de la difficulté à atteindre un tel rendement. Pour que l'échangeur thermique de la chaudière à condensation arrive à extraire efficacement la chaleur latente potentielle, le système doit fonctionner avec les températures d'eau de retour les plus basses possible, ne dépassant pas 45 à 50 °C (113 à 122 °F), de préférence. alheureusement, la plupart des systèmes de radiateurs sont conçus pour fonctionner à des températures d'eau de retour nettement supérieures, ce qui contribue à réduire les risques de condensation du gaz de combustion. Si la température de l'eau de retour est trop élevée, le rendement réel de l'appareil pourrait n'être que légèrement supérieur à celui des meilleurs modèles de chaudières sans condensation.

Pour qu'une chaudière à condensation atteigne son rendement optimal, le système de chauffage doit être conçu pour retourner l'eau à la chaudière sous la température des gaz de combustion évacués. Les applications résidentielles qui fonctionnent habituellement à des températures d'eau de retour suffisamment basses incluent :

• le chauffage des planchers par rayonnement
• le chauffage de l'eau des piscines

Pour les systèmes de radiateurs, il est possible d'abaisser la température de l'eau de retour en ayant recours aux techniques suivantes :

• l'utilisation d'un régulateur de remise en marche, tel qu'il est décrit au chapitre 2, pour abaisser la température de l'eau de distribution durant les saisons intermédiaires (à la fin du printemps et au début de l'automne) pour améliorer le rendement au cours de ces périodes, même si cette méthode n'est pas efficace au plus fort de la saison de chauffe
• l'utilisation des systèmes de radiateurs qui présentent des surfaces d'échange thermique suffisantes pour pouvoir fonctionner efficacement à basse température
• l'utilisation de l'eau de retour pour chauffer d'avance l'eau de service (comme l'illustre la figure 11 à la page 47), pour les systèmes combinés de chauffage des locaux et de l'eau

Pour qu'une chaudière à condensation fonctionne de façon efficace, il faut adopter une approche globale des systèmes.

Systèmes intégrés de chauffage des locaux, de chauffage de l'eau, et de ventilation

Un moyen qui pourrait optimiser le rendement et réduire les coûts consiste à intégrer le chauffage des locaux et de l'eau en un seul appareil.

Dans bien des maisons neuves ou rénovées, les améliorations apportées à l'enveloppe du bâtiment ont tellement réduit la charge de chauffage des locaux qu'il est parfois difficile de justifier l'achat d'un appareil à haute efficacité seulement pour répondre à la demande de chauffage. Pour tirer pleinement parti de l'efficacité des systèmes à gaz avec condensation, il est logique de combiner le chauffage des locaux à d'autres fonctions, en particulier le chauffage de l'eau sanitaire. La demande d'eau chaude s'est maintenue ou a même augmenté au fil des ans, rendant plus intéressants les efforts visant à accroître l'efficacité pour chauffer l'eau. Il serait donc naturel de combiner le chauffage des locaux et celui de l'eau.

Un système à haute efficacité de chauffage intégré des locaux et de l'eau, alimenté au gaz et utilisant l'eau de l'aqueduc municipal pour condenser les gaz de combustion, peut avoir un rendement supérieur à 90 p. 100, pour le chauffage tant des locaux que de l'eau. Le chauffage des locaux peut être à eau chaude ou à air pulsé (par un ventilo-convecteur). Ce type de système pourrait signifier un investissement global inférieur à celui d'appareils distincts; en outre, un seul système d'évacuation pourrait être requis et l'efficacité du fonctionnement pourrait être optimisée.

Dans la pratique, les chaudières à condensation des systèmes hydroniques alimentés au gaz peuvent avoir de la difficulté à condenser la vapeur contenue dans les gaz de combustion, étant donné que la température de l'eau de retour est supérieure au point de rosée de ces gaz. En installant un échangeur thermique eau-eau et un réservoir de stockage pour l'eau chaude du robinet en amont de la chaudière, on peut amener la température de l'eau de retour au-dessous du point de rosée des gaz de combustion, qui se condenseront, ce qui augmentera de façon substantielle l'efficacité de l'appareil. La figure 11 illustre le schéma d'un système intégré à haute efficacité.

Figure 11 Schéma d'un système intégré à haute efficacité pour le chauffage des locaux et de l'eau

Il existe également des systèmes combinés à efficacité normale, alimentés au gaz, mais leur potentiel d'efficacité globale est inférieur à celui des systèmes à condensation. Une chaudière à efficacité normale reliée à un réservoir externe offre un autre système combiné efficace.

Les premiers systèmes « bimodaux » étaient dotés d'un chauffe-eau de modèle courant à tirage naturel et d'un ventilo-convecteur qui assurait l'apport calorifique à l'air distribué. Ces appareils avaient cependant une faible efficacité énergétique et une durée de vie limitée; on les a donc remplacés par les systèmes à rendement optimal précités.

Les perspectives

Les travaux de recherche-développement en cours visent à accroître l'efficacité des systèmes de chauffage, et nous constatons des percées récentes dans le domaine des ventilateurs.

VENTILATEUR À VITESSE VARIABLE ET À RENDEMENT ÉLEVÉ

Il est de plus en plus fréquent de faire fonctionner à faible vitesse et en tout temps des ventilateurs de générateur d'air chaud durant la saison de chauffe afin d'améliorer la température de confort ainsi que le rendement de l'appareil. Dans de nombreuses régions du Canada, les propriétaires de maisons installent souvent des systèmes de climatisation centrale qui utilisent le même ventilateur. Ces pratiques font augmenter de façon considérable la consommation annuelle d'électricité du générateur d'air chaud, comparativement au mode de fonctionnement traditionnel qui consiste à chauffer seulement lorsque cela est nécessaire durant la saison de chauffe. Le type ordinaire de ventilateur à courant alternatif (c.a.) utilisé dans la plupart des générateurs d'air chaud (le modèle à condensateur auxiliaire permanent à quatre vitesses) n'est pas le plus éconergétique, en particulier lorsqu'il fonctionne à faible vitesse. Il existe actuellement certains générateurs d'air chaud qui utilisent un ventilateur à vitesse variable et à haut rendement, tel le moteur C.C. autopilote à aimant permanent. Un ventilateur à rendement élevé qui fonctionne sans arrêt utilise moins du tiers de l'électricité consommée par un ventilateur ordinaire. À la longue, les factures d'électricité moins élevées permettent de récupérer le prix d'achat.

Les économies d'électricité réalisées grâce au moteur hautement efficace du ventilateur contribueront à répondre à une partie de la demande en chauffage. Par conséquent, les économies de gaz obtenues grâce à un appareil de chauffage équipé d'un moteur hautement efficace seront en quelque sorte compensées par la chaleur supplémentaire que le générateur d'air chaud doit fournir. Cependant, lorsque le climatiseur central sera en marche, le moteur hautement efficace du ventilateur produira des économies supplémentaires puisque la chaleur que générait le moteur inefficace n'aura plus besoin d'être refroidie.

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