Volume 24, number 1, février 2010

Maximiser l’efficacité des chaudières à condensation grâce à de grands écarts de température (∆T)

La performance énergétique est au cœur des préoccupations des concepteurs et faire le choix d’appareils efficaces, comme la chaudière à condensation, est souvent un incontournable. Toutefois, pour profiter de toute l’efficacité énergétique que peut offrir ce type d’appareils, il faut y associer un système de chauffage à basse température qui permet d’obtenir le niveau de performance attendu, ou encore, concevoir un réseau où le différentiel de température est élevé afin d’obtenir un retour froid.

Lors de la conception d’un réseau de chauffage, le choix des éléments de chauffage conventionnels se résume à choisir entre des diamètres de tuyauterie de 3/4, de 1 et de 1 1/8 po. Les critères de design demandent de tenir compte de la vitesse d’écoulement dans la tuyauterie afin que le débit demeure turbulent et maximise ainsi le transfert de chaleur.

Dans le cas de réseaux existants, la possibilité de réduire le débit devient plus critique à mesure que le diamètre du serpentin s’accroît, car l’état laminaire peut y être atteint plus vite. L’arrivée sur le marché de nouveaux serpentins produisant des différentiels de température élevés contribue à obtenir un retour d’eau favorisant la condensation aux chaudières. Les nouveaux éléments ne nécessitent pas un aussi grand débit pour répondre à la demande et ils offrent un grand ∆T grâce à leur efficacité exceptionnelle. Il est possible d’atteindre un ∆T aussi grand que 47 °F avec certaines configurations qui utilisent des tubes de 1/2 po. Pour obtenir une température de retour plus basse vers une chaudière, la réduction du débit à l’intérieur des éléments existants  semble souvent une solution facile.

En général, dans un tube classique, l’écoulement est assurément laminaire lorsque la vitesse est inférieure à environ 0,25 pi/sec.  Il demeure laminaire ou devient transitoire à différentes vitesses variant de 0,26 à 0,49 pi/sec selon le diamètre. L’état tur-bulent est assuré au-dessus de 0,5 pi/sec. Le tableau 1 ci-contre montre, pour différents diamètres, l’impact sur le débit qu’a la variation de la vitesse d’écoulement. Il en ressort que les diamètres de 1 et de 1 1/4 po deviennent beaucoup moins performants en présence d’un débit variant de 0,5 à 1,0 usgpm. On a conservé la turbulence dans le cas des trois plus petits tubes. L’utilisation d’un tube de grand diamètre n’est donc pas intéressante lorsqu’un plus grand ∆T est recherché pour améliorer la performance d’une chaudière à condensation, et ce, malgré un excellent contrôle des débits à l’entrée des serpentins. Il faut alors envi-sager le remplacement des anciens éléments ou en ajouter de nouveaux, offrant de grands ∆T, ailleurs sur le réseau, rendant la température de retour assez basse pour permettre la conden-sation. Comme la plupart des réseaux existants comportent une tuyauterie de 3/4 po de diamètre pour alimenter les serpentins, une nouvelle configuration de serpentins faite de deux tubes de 1/2 po peut alors être utilisée. (voir figure 1).

Pour répondre à des besoins de plus grandes capacités, on peut envisager d’autre configurations (quatre tubes de 1/2 po pourvus d’un raccordement unique de 3/4 po à la sortie et à l’entrée). Pour des applications extrêmes, l’utilisation de tubes de 3/8 po permet d’atteindre des ∆T encore plus élevés avec une configuration serpentine pourvue de trois passes.

Les nouveaux serpentins utilisant des tubes de 1/2 et de 3/8 po ont de nombreux atouts par rapport aux éléments classiques. Donc, ils deviennent des plus intéressants pour optimiser le rendement des chaudières à condensation ainsi que pour obtenir des capacités de chauffage significatives même avec de l’eau chaude à basse température autour de 100 à 120 °F. Ils permettent d’atteindre des ∆T élevés grâce à leur écoulement qui demeure constamment turbulent de façon à garder la performance du réseau optimale tout en consommant moins d’énergie qu’un système conventionnel. La conservation d’un ∆T élevé favorise un meilleur rendement des chaudières. Un grand écart de température permet aussi d’exploiter le plein rendement d’une plus petite chaudière lorsque le projet comporte plusieurs unités de petite capacité au lieu d’une seule de très grande puissance.

Marc Francoeur, ing. CEM, PA LEED®, Groupe DATECH

Jocelyn Léger, ing., PA LEED®, Directeur régional des ventes de Produits Rosemex.

D’après un article paru dans l’IMB