Évaluation du potentiel technico-économique de la production de gaz naturel renouvelable au Québec
Les deux premières questions posées lors de la conception d’une chaufferie ou du remplacement d’une chaudière sont souvent les suivantes : quelle est la consommation de la chaudière en dollars par Btu ? Quelle somme est-il possible d’obtenir grâce aux différentes subventions offertes ? Ainsi, le fonctionnement de l’appareil, sa durabilité ou sa facilité d’utilisation et d’entretien sont des aspects trop peu considérés au moment de le choisir.
Il faut garder en tête que les subventions et l’efficacité certifiée sont déterminées d’après une utilisation théorique et idéale de l’appareil. En pratique, ce n’est pas toujours le cas, ce qui influencera son efficacité et son fonctionnement. Il est donc important de tenir compte de ces facteurs lors du choix d’un appareil.
La chaudière à condensation démystifiée
D’abord, il est important de comprendre que toute chaudière (à condensation ou non) exposée à un retour d’eau sous le point de rosée du combustible (132 °F pour le gaz naturel à 20 % d’excès d’air) va créer du condensat à l’intérieur et augmentera son efficacité. La chaudière à condensation n’atteindra pas l’efficacité promise si le réseau hydronique est opéré avec des retours d’eau supérieurs au point de rosée. Enfin, pour survivre à toute cette condensation et éviter la corrosion, les chaudières à condensation sont construites avec des matériaux plus nobles, comme l’aluminium et l’acier inoxydable.
Les métaux de ces chaudières sont certes plus résistants à la corrosion, mais aussi plus coûteux. Advenant que la température de retour sous 132 °F soit inatteignable dans un projet ou que la chaudière ne fonctionne qu’en pointe à haute température, une chaudière classique représente une solution plus durable à efficacité comparable. En effet, à prix semblable, un échangeur à non-condensation est souvent fabriqué de manière plus robuste grâce à un matériau plus épais. La conception de l’appareil à non-condensation est aussi orientée vers la haute température comparativement aux chaudières à condensation, conçues pour fonctionner à basse température. Il n’est pas systématiquement requis de choisir une chaudière à condensation parce que le retour d’eau doit se situer sous les 132 °F durant l’année. Certaines chaudières classiques ne condensent pas et permettent des retours d’eau bien en deçà des 132 °F. Il est donc important d’évaluer le nombre d’heures de fonctionnement à basse et à haute température pour choisir le matériau et les économies potentielles générées.
La durabilité et l’entretien
Plusieurs facteurs influent sur la longévité des équipements. La qualité de l’eau et l’entretien de la chaudière figurent parmi les plus importants. Il est faux de croire que les chaudières à condensation nécessitent peu d’entretien. Dans les faits, une chaudière à condensation requiert d’être brossée aussi souvent, sinon plus qu’une chaudière classique. En raison des matériaux moins épais et des échangeurs d’une plus grande superficie, le dépôt de saletés provoque des points chauds qui, sous l’effet de l’expansion thermique, peuvent produire des déformations ou des cisaillements. Les pierres contenues dans les bacs de neutralisation requis pour traiter le condensat avant son renvoi au drain doivent être fréquemment nettoyées ou remplacées. Sans ces entretiens, il n’est pas rare de voir des chaudières à condensation être remplacées avant d’atteindre 10 ans et même avant 5 ans de fonctionnement. Par expérience, la durée de vie moyenne d’une chaudière à condensation commerciale est d’environ 10 à 12 ans. À titre de comparaison, les chaudières en fonte à efficacité intermédiaire peuvent atteindre une durée de vie moyenne de 30 à 35 ans. Certaines se rendent même jusqu’à 50 ans grâce à un entretien simplifié. Évidemment, tous les échangeurs de chaudière ne sont pas de qualité égale, qu’il s’agisse d’un appareil à condensation ou classique. L’économie en énergie doit donc compenser les frais d’entretien ou le remplacement prématuré.
Les échangeurs – Chaudière à condensation
Les échangeurs de chaudière subissent un stress intense. D’un côté, les gaz de combustion peuvent atteindre 2000 °F. De l’autre, la température de l’eau est aussi basse que 80 °F. La valse entre l’allumage, le fonctionnement et l’arrêt provoque une expansion et une contraction due à la dilatation thermique du métal. Il est donc important que l’échangeur puisse se déplacer pour absorber la dilatation avec le moins de restriction possible. Les échangeurs ayant le moins de soudure sont les plus durables. Les échangeurs en plaque de fonte ou de fonte d’aluminium sont exempts de soudure, contrairement aux échangeurs tubes à eau qui en ont plusieurs, plus particulièrement dans les modèles à condensation. Certaines constructions sont plus novatrices et permettent une meilleure étanchéité des tubes sans soudure.
La tendance actuelle du marché est aux chaudières à condensation tubes à feu. Elles sont perçues comme étant plus résistantes en raison d’un volume d’eau accru. Il faut cependant faire attention : la conception de l’échangeur et son positionnement peuvent avoir un impact sur la durabilité de la chaudière tubes à feu. Dans ce type d’échangeur, il est très important de disperser la chaleur de manière uniforme et constante d’un tube à l’autre. Les variations de chaleur à travers l’échangeur créent l’expansion des tubes et agissent de façon perpendiculaire à la plaque de retenue des tubes. Dans le cas où les tubes du centre ou la plaque de retenue sont à des températures différentes, l’expansion thermique crée un stress sur les soudures et une déformation ponctuelle pouvant provoquer un cisaillement sur l’échangeur. Pour compenser ce phénomène, il faut favoriser un matériau résistant à l’expansion thermique.
La position de l’échangeur influe aussi sur sa durabilité. La plus répandue est verticale avec brûleur sur le dessus pour diminuer l’empreinte au sol. Ce positionnement n’est pas sans défi. D’abord, l’accumulation d’air dans la partie supérieure de l’échangeur empêche un transfert de chaleur adéquat et augmente la température du métal de l’échangeur à des points précis, ce qui risque d’entraîner une déformation. Ensuite, l’air dissous dans l’eau se libère lorsqu’il y a changement de vitesse, de direction ou augmentation de température, soit trois phénomènes présents dans les échangeurs tubes à feu. Un échangeur tubes à feu horizontal ou un échangeur à double calandre (à haute et à basse température) sont des concepts de chaudière offrant la meilleure robustesse.
La conception de systèmes à une seule pompe plutôt que des systèmes primaire et secondaire constitue aussi un des facteurs qui favorisent la chaudière tubes à feu garantie à débit nul1. Il faut cependant se méfier de ce type de conception. Les systèmes à une seule pompe permettent de l’utiliser pour distribuer l’eau dans le réseau et alimenter la chaudière. Comme le débit de distribution est variable et contrôlé pour assurer le débit le plus faible de distribution, ce type de conception ne garantit pas de débit dans la chaudière. Un faible débit peut provoquer une accumulation de sédiments dans l’échangeur de la chaudière et des déformations dues aux points chauds.
Les échangeurs – Chaudière à haute température et vapeur
Dans le cas de chaudières à eau chaude de capacité inférieure à 200 BHP (6 695 000 Btu)2, les chaudières à plaques de fonte devraient être considérées en premier pour leur facilité d’entretien, leur durabilité et leur efficacité.
La superficie de chauffe constitue un des éléments différenciateurs de qualité pour choisir une chaudière. Les chaudières tubes à feu (Scotch Boiler Design) sont généralement conçues avec 4 ou 5 pi2/BHP. Pour une qualité égale dans les types aquatubulaires (flextubes), il faut utiliser des chaudières industrielles de type D ou A. Dans les chaudières semi-industrielles, il est possible de trouver des superficies de chauffe de 4,7 à 4,2 pi2/BHP. Les chaudières commerciales et compactes sont souvent conçues avec aussi peu que 3,2 et 2,8 pi2/BHP. Au moment de comparer des chaudières, il ne faut pas seulement consulter les modèles catalogues, mais aussi les superficies de conception. Une chaudière dotée d’une plus grande superficie de chauffe permet à l’échangeur de travailler moins fort et d’être plus durable.
Dans le cas des chaudières tubes à feu, pour une même superficie d’échangeur, il est préférable de choisir une première chambre de combustion surdimensionnée (1re passe) plutôt que plusieurs passes puisque la majorité de l’énergie transférée se retrouve dans la première chambre de combustion en raison de l’intensité de la flamme. La surdimension de la première chambre de combustion permet d’améliorer la qualité de combustion. Dans le cas des chaudières aquatubulaires, il est préférable de choisir des plaques de contournement des gaz permanentes à des chicanes créées par les tubes de type tangentiel. L’effet de fluage provoqué par les arrêts/départs de la chaudière influe sur l’étanchéité des passes et diminue l’efficacité d’échange thermique de la chaudière. Les chicanes permanentes permettent de maintenir une efficacité constante dans le temps.
Les BRÛLEURS
Puisque les normes environnementales sont plus exigeantes quant aux émissions d’oxydes d’azote (NOx), les brûleurs de type « Premix » deviennent de plus en plus populaires. Le résultat du mélange de gaz et d’air avant le passage à travers le diffuseur métallique crée une flamme compacte et rayonnante. Ce type de brûleur requiert un entretien méticuleux pour éliminer les impuretés de l’air incrustées ou l’encrassement sur le diffuseur métallique. Sans une inspection et un entretien rigoureux, les pores du diffuseur peuvent bloquer et provoquer une flamme non uniforme qui risque d’endommager la mèche du brûleur.
Les brûleurs de type « Gun type » sont plus permissifs quant à l’entrée d’air avec impureté. Ils permettent d’utiliser du biogaz ou du mazout comme second carburant. Ce type de brûleur effectue le mélange de l’air et du carburant dans la chambre de combustion; les impuretés sont donc brûlées par la même occasion.
Et les chaudières électriques…
Avec la montée de l’électrification du chauffage, il est important de parler des chaudières électriques. Il existe différents critères de qualité. Comme les échangeurs de combustion, les éléments électriques possèdent des superficies de chauffe différentes d’un fabricant à l’autre. Un élément électrique de qualité devrait atteindre un maximum de 80 W/po2 lorsqu’il est utilisé avec 100 % eau. Dans le cas d’un fonctionnement avec un mélange d’eau et de glycol, les superficies de chauffe doivent se situer autour de 50 W/po2, selon le pourcentage de glycol. Cette exigence a pour but d’éviter la sédimentation du glycol et de conserver l’efficacité des éléments électriques. Il est important de s’informer de la provenance des éléments électriques et de la qualité des contacteurs auprès du fabricant de la chaudière. Idéalement, il faudrait favoriser ceux qui fabriquent leurs propres éléments électriques pour assurer un meilleur contrôle de la qualité et de la disponibilité des pièces.
Une chaudière bien sélectionnée pour une application donnée permet d’améliorer sa durabilité et de mieux répondre aux besoins du client. Tout appareil de chauffe doit être entretenu de façon assidue, et la qualité de l’eau doit être vérifiée régulièrement pour assurer des performances accrues et une durabilité dépassant les périodes de garantie.
AutEUR
Francis Lacharité, ing., MBA, est directeur des ventes chez Services énergétiques R.L.
Source: revue IMB, de février 2020 (vol. 35, no 1).
1 Plusieurs fabricants offre une garantie 0 flow, ce qui signifie qu’il n’y a pas de minimum de débit requis à la chaudière et que la garantie sera toujours applicable même s’il y a eu un manque de débit.
2 1 BHP équivaut à 33 475 Btu.