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Rendement chaudière sur PCI ou sur PCS

jeudi 22 août 2013

Le PCI est le Pouvoir Calorifique Inférieur du combustible. Il indique la quantité de chaleur qu’il va libérer lors de la combustion par unité de volume ou de masse.
Ainsi, le PCI du gaz naturel est d’environ 10 [kWh/m3], celui du fuel domestique de 11,7 [kWh/kg], celui du charbon d’environ 6500 [kWh/ tonne].

On indique les rendements de chaudière sur le PCI. Ceci veut simplement dire que l’on compare les quantités de chaleur ’libérées’ par le combustible à la quantité de chaleur fournie à l’eau. C’est bien ce que nous avons calculé au paragraphe précédent.

En réalité, lors de la combustion, il se libère de la chaleur (PCI), mais il y a aussi formation de vapeur d’eau. Cette formation de vapeur nécessite une énergie libérée lors de la combustion en complément de la chaleur produite. En règle générale, cette énergie sera perdue car la vapeur est évacuée par le conduit de fumée.

Le combustible contient donc plus d’énergie que son potentiel calorifique (PCI). On parle de son PCS : Pouvoir Calorifique Supérieur. PCS = Energie Chaleur (PCI) + Energie vapeur

Le PCI du gaz naturel (chaleur sensible libérée par le combustible) est de l’ordre de 10 kWh/m3 de gaz à 0°C et à la pression atmosphérique).

Le PCS du gaz naturel est de l’ordre de 11 kWh/m3 à 0°C et à la pression atmosphérique. Il correspond à l’énergie libérée par le combustible, chaleur sensible et production de vapeur.

En règle générale, les chaudières ne sont capables de transmettre à l’eau qu’une partie de l’énergie chaleur ’contenue’ dans le combustible. Il est donc normal que l’on calcule leur rendement par comparaison de la chaleur fournie à l’eau à celle libérée lors de la combustion. On parle alors d’un rendement sur le PCI.

Le rendement des chaudières est indiqué sur le PCI :

Ainsi, la combustion d’un [m3] de gaz naturel fournira environ :

  • 10 kWh de chaleur : Le PCI du gaz naturel est de l’ordre de 10 [kWh/m3]
  • 1 kWh de vapeur : Le PCS du gaz naturel est de l’ordre de 11 [kWh/m3] Sur les 10 kWh de chaleur, une chaudière standard en transmettra environ 9 kWh à l’eau de chauffage. On dira alors que le rendement de combustion sur PCI de cette chaudière est de (9/10)x100 = 90%

On aurait pu définir le rendement des chaudières en comparant l’énergie utile récupérée à l’énergie totale ’contenue’ dans le combustible (chaleur et vapeur). On aurait alors annoncé un rendement calculé sur le PCS, mais ce n’est pas l’usage, est de (9/11) x 100 = 81.8%

Comme nous l’avons déjà indiqué, seule une partie de ’l’énergie chaleur de combustion’ peut en général être récupérée et la vapeur est évacuée par le conduit de fumée.
Pour récupérer ’l’énergie vapeur’ perdue, il faut refroidir la fumée jusqu’à ce que la vapeur qu’elle contient se condense. Elle restituera alors l’énergie qui avait été nécessaire à sa formation. Mais, les condensats alors formés sont corrosifs et au moins une partie de la chaudière et tout le conduit de fumée devront alors être en acier inoxydable, d’où un surcoût non négligeable. Ce type de chaudière est appelé chaudière à condensation.

On parle de rendement sur le PCI car seule l’énergie apportée sous forme de chaleur sensible par la combustion est prise en compte.

Le rendement des chaudières standard étant de 93% environ, leurs pertes calorifiques sont donc de l’ordre de 7% de la chaleur sensible dégagée lors de la combustion. Pour l’essentiel, ces pertes correspondent à l’évacuation des gaz de combustion (fumées) à des températures élevées, entre 150 et 200 °C.

En réalité, les pertes énergétiques des chaudières sont nettement supérieures car les gaz de combustions évacuent la vapeur produite lors de la combustion. Pour récupérer l’énergie correspondant à la production de vapeur, il faut refroidir les fumées jusqu’à ce que la vapeur puisse se condenser.

Dans les chaudières standards, on évite de générer la condensation car les condensats formés sont légèrement acides dans le cas du gaz naturel et très agressifs dans le cas du fuel.

Il existe des chaudières conçues pour permettre le refroidissement maximal des gaz de combustion. On appelle ces chaudières : chaudières à condensation. Leur foyer est fabriqué avec des matériaux inoxydables (au moins partiellement) et les fumées peuvent y être refroidies autant que la température de l’eau à réchauffer le permet. Si la température de l’eau est suffisamment basse, une partie de la vapeur contenue dans les fumées pourra se condenser. Cette condensation restituera alors à l’eau de chauffage une énergie habituellement perdue.

Pour des retours d’eau à réchauffer inférieurs à 40 [°C], la quantité d’énergie fournie par les chaudières à condensation devient supérieure à la seule quantité de chaleur sensible dégagée lors de la combustion. Le rendement de la chaudière dépasse alors les 100%.

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