Phase préliminaire du projet

 Contexte et objectif

Dans un contexte fortement marqué par les problématiques énergétiques et environnementales,

le secteur du bâtiment est un domaine d’intervention privilégié pour la réduction des consommations

d’énergie et des émissions de GES. Comme détaillé dans le Chapitre 1, les bâtiments fortement isolés

et particulièrement étanches sont amenés à devenir la norme, formant des enceintes de moins en moins

dépendantes des variations et sollicitations extérieures. En conséquence, dans ces bâtiments de type

BBC, les besoins de chauffage sont très faibles et le rôle de la ventilation y est déterminant pour

garantir la bonne qualité de l’air intérieur, le bien être des occupants et la durabilité de la structure.

Dans les bâtiments affichant les meilleures performances, soit une puissance spécifique de

chauffage inférieure à 10 W/m² environ, l’air de ventilation peut alors y être utilisé comme unique

vecteur de chauffage. En effet, les besoins sont si faibles que l’appoint de chaleur peut être réalisé

directement sur l’air qui est ensuite insufflé dans les différentes pièces, ce qui présente l’avantage

indéniable de ne pas avoir à introduire d’autre réseau de distribution de chaleur dans le bâtiment.

Cette mutation performantielle du secteur concerne autant les bâtiments tertiaires que

résidentiels, les réalisations nouvelles que les réhabilitations. Dans le cas des réalisations les plus

courantes, la puissance spécifique de chauffage s’établit toutefois encore entre 10 et 50 W/m² pendant

les jours les plus froids en hiver, ce qui nécessite de prévoir un appoint de chaleur, le plus possible

basé sur l’utilisation d’une source d’origine renouvelable.

Dans les bâtiments d’habitation de type BBC, les systèmes de chauffage domestique au bois

constituent à ce titre une solution particulièrement appréciée comme alternative aux systèmes PAC,

principalement du fait de l’image que possède le combustible bois énergie, des récentes évolutions des

performances des appareils, ainsi que de la meilleure organisation de la filière. Néanmoins, dans une

habitation BBC, l’installation de ce type d’appareil, qui présente l’inconvénient d’être une source

locale de chaleur, risque d’entraîner une surchauffe de la pièce où il est installé et de ne pas garantir

une température suffisante dans les pièces les plus éloignées de la source.

La problématique initiale consiste alors à valoriser la chaleur récupérable autour d’un appareil

de chauffage au bois pour la distribuer dans les différentes pièces d’une habitation de type BBC, sans

perturber les performances de la ventilation et sans risquer la propagation des produits de combustion,

dans le but d’assurer une meilleure homogénéité des températures et le confort des occupants.

Dans ce contexte, l’objectif principal du projet est de développer en partenariat avec

l’industriel POUJOULAT, premier fabricant européen de conduits de cheminées et de sorties de toit

métalliques, un système innovant de chauffage au bois et de distribution d’air chaud garantissantune

grandequalitédesambiancesintérieures (confortthermique,acoustique,qualitédel’airintérieur) dans

les habitations de type BBC, en vue de son développement commercial. Ce système doit permettre la

récupération et la distribution de chaleur grâce à de l’air circulant en pulsion au sein d’un conduit

échangeur intégré au conduit d’évacuation des fumées d’un appareil de chauffage au bois de type

insert, foyer fermé ou poêle.

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 Essais sur un insert à bûches de bois

Dans un premier temps, les travaux consistent à évaluer les performances et à étudier les

possibilités d’optimisation du système CONFORT PLUS développé par l’industriel POUJOULAT. Il

s’agit d’un système de récupération et de distribution d’air chaud qui s’adapte sur le conduit de fumée

des inserts et qui possède l’originalité de fonctionner en pulsion (cf. section 1.5.3, Figure 1.37).

Entre 2007 et 2008, une première phase expérimentale est ainsi conduite dans les locaux du

Centre d’Essais et de Recherche des Industries de la Cheminée (CERIC), un laboratoire de recherche

appliquée basé à Saint-Symphorien, créé en 1990 et spécialisé dans les questions liées à l’évacuation

des fumées. Cette structure travaille en étroite collaboration avec le Groupe POUJOULAT dans les

domaines de la qualité, de la recherche et de l'amélioration continue des produits.

Les premiers essais ont pour but d’évaluer la puissance récupérée par de l’air qui est prélevé

dans l’ambiance à proximité d’un insert et qui circule ensuite dans un conduit échangeur de type

CONFORT PLUS intégré à la cheminée de l’appareil de chauffage au bois. Ces essais sont réalisés sur

un insert à bûches de bois d’une puissance nominale de 15 kW. Deux nouvelles versions de conduit

échangeur sont testées, l’une intégrant des chicanes et l’autre des plénums de diffusion.

La Figure 2.1 donne les schémas des deux versions de conduit échangeur testées. Les chicanes

qui équipent la première version contraignent l’air à s’élever puis à redescendre dans l’espace

annulaire, ce qui favorise l’échange mais implique des pertes de charge importantes. Dans la seconde

version, plus proche d’un échangeur à courants parallèles, l’air est introduit indifféremment en partie

haute ou basse, puis est guidé au travers de deux plénums de diffusion avant de sortir en partie basse

ou haute du conduit échangeur. Les dimensions précisées sur les schémas sont toutes données en mm.

Conduit échangeur à chicanes Conduit échangeur à plénums de diffusion

Figure 2.1 : Schémas cotés en mm des deux versions de conduit échangeur testées avec un insert à bûches

Compte tenu des fortes températures (300 à 400°C) et des faibles vitesses (< 1 m/s) à mesurer

sur les fumées de combustion, une phase préliminaire aux essais consiste en l’élaboration de

protocoles expérimentaux spécifiqueseten l’acquisition d’une métrologie adaptée.

230

280

120

450

170

120

190

40

60

230

280

120

450

120

140

60 ⁶⁰

Lors des essais, le système est isolé avec soin au niveau du conduit échangeur, qui est

volontairement placé au plus près de la buse de sortie des fumées pour bénéficier du meilleur potentiel

de récupération de la chaleur, comme le montrent les vues données par la Figure 2.2.

Conduit échangeur à chicanes Conduit échangeur à plénums de diffusion

Figure 2.2 : Vues des essais des deux versions de conduit échangeur testées avec un insert à bûches

Lorsque le régime permanent est atteint, les puissances transférées sont évaluées grâce à la

mesure des débits de chaque fluide et des températures aux différentes extrémités de l’échangeur.

Puissances thermiques échangées : 

En régime permanent et sans changement de phase, la puissance i cédée ou récupérée par le

fluide i est déterminée à partir de sa masse volumique i au niveau du lieu de mesure de sa vitesse vi

dans la section d’écoulement Si, puis de sa chaleur massique moyenne cp,i et enfin de sa différence de

température ΔTi entre les extrémités du conduit échangeur, suivant l’expression :

i

i

i

i

p

i

i

i

i  v S c , T C T

 _(2.1)

avec Ci le débit enthalpique (ou la capacité thermique) du fluide i, tel que : C_i _i v_i S_ic_p,i

Efficacité de l’échange : E

L’efficacité de l’échange E est définie par [Incropera, 2006] comme étant le rapport de la

puissance utile récupérée utile récupérée sur la puissance maximum récupérable max récupérable :

e

récupérabl

max

récupérée

utile







E (2.2)

Dans le cas d’un échange ayant lieu entre deux fluides, notés 1 et 2 :

)

2

;

1

(

max

)

2

;

1

(

min

le

récupérab

max C T

 _(2.3)

avec C_min(1;2)min (C₁;C₂) _(2.4)

et T_max(1;2) max(T_1,in;T_2,in)min(T_1,in;T_2,in) _(2.5)

Le Tableau 2.1 donne les principaux résultats obtenus lors de ces essais. De manière générale,

la puissance récupérée sur l’air de ventilation avec ce type d’échangeur est comprise entre 400 W et

800 W en phase de fonctionnement, avec une faible efficacité d’échange puisqu’elle est inférieure à

10% pour l’échangeur à chicanes et à 15% pour l’échangeur à plénums.

Tableau 2.1 : Puissance récupérée et efficacité de l’échange lors des essais avec un insert à bûches

Insert à bûches ^{Chicanes Plénums}

min max min max

Puissance récupérée [W] 400 800 400 600

Efficacité de l’échange [%] 5 8 10 13

La Figure 2.3 regroupe ensuite les graphiques donnant l’évolution de la température des

fumées et de l’air de ventilation en entrée et en sortie des conduits échangeurs à chicanes et à plénums.

Conduit échangeur à chicanes Conduit échangeur à plénums de diffusion

Figure 2.3 : Évolution des températures des fumées et de l’air lors des essais avec un insert à bûches

De manière générale, ces essais ont été fortement marqués par l’instabilité de la source de

chaleur. En effet, un régime permanent ne peut pas être instauré avec ce type d’appareil. De plus, avec

des fumées s’élevant entre 300 et 400°C au sein du conduit échangeur pour une charge moyenne de

2,2 kg de bûches de bois dans l’insert, la température de l’air pulsé augmente rapidement sans pouvoir

être facilement contrôlée. En conséquence, l’insert à bûches apparaît être une source de chaleur trop

puissante et surtout difficilement maîtrisable pour répondre aux exigences des logements de type BBC.

0

100

200

300

400

00:00 17:01 29:03 40:36

T [°C]

t [mm:ss]

Tf,in

Tf,out

0

100

200

300

400

00:00 12:10 24:20 36:29

T [°C]

t [mm:ss]

Tf,in

Tf,out

10

20

30

40

50

00:00 17:01 29:03 40:36

T [°C]

t [mm:ss]

Ta,out

Ta,in

10

20

30

40

50

00:00 12:10 24:20 36:29

T [°C]

t [mm:ss]

Ta,out

Ta,in

 Recours au poêle à granulés de bois

Face à la difficulté d’obtenir un régime établi avec l’insert à bûches, même en utilisant des

bûches de bois densifié, le projet s’oriente ensuite vers l’utilisation d’une source plus stable en

température, facilement réglable et de plus faible puissance : le poêle à granulés de bois.

Moyennant une faible consommation électrique, les poêles à granulés permettent d’obtenir une

combustion régulière du combustible à fort pouvoir calorifique qui est apporté dans le brasero, grâce

au contrôle de la quantité d’air comburant admise au niveau d’une buse, qui est généralement située à

l’arrière de l’appareil et qui est directement reliée à une prise d’air extérieur. Le raccordement de ce

type d’appareils au moyen de conduits concentriques, dits étanches, tend à se généraliser.

Le groupe POUJOULAT commercialise la gamme de conduits étanches DUALIS PGI 80-130,

dont un élément est présenté sur la Figure 2.4. Ces conduits concentriques permettent à la fois

d’évacuer les fumées par le conduit central et d’admettre l’air de combustion nécessaire au bon

fonctionnement du poêle par l’espace annulaire, depuis l’extérieur jusqu’à la prise d’air de l’appareil.

Les diamètres des tubes intérieur et extérieur sont respectivement de 80 mm et de 130 mm.

Figure 2.4 : Vue d’un élément de conduit concentrique de la gamme DUALIS PGI

Outre une intégration au bâti facilitée, l’utilisation de ce type de conduit présente le double

avantage de prélever l’air de combustion à l’extérieur de l’habitation et de le réchauffer sur toute la

longueur du conduit au contact du tube intérieur d’évacuation des fumées. Grâce au premier point,

l’étanchéité de la construction est respectée et le système de ventilation n’est pas perturbé par une

source prélevant son air de combustion dans l’ambiance. Le second point concerne le préchauffage de

l’air comburant qui améliore sensiblement le rendement de la combustion (jusqu’à 10 points de

rendement supplémentaires) et diminue le taux de CO dans les fumées [ADEME_R&D, 2009].

Le recours au poêle à granulés, qui est l’un des systèmes de chauffage domestique au bois le

mieux adapté aux exigences des habitations de type BBC, impose le développement d’un nouveau

genre de conduit échangeur pouvant s’intégrer aux éléments concentriques qui sont couramment

utilisés pour raccorder ce type d’appareils.

Ce conduit échangeur devra alors permettre l’échange de chaleur entre les fumées de

combustion à évacuer, l’air de ventilation à réchauffer et l’air de combustion à apporter au poêle. Il

s’agit donc de développer un échangeur à triple paroi concentrique et à flux séparés. De plus, il faut

considérer l’importance de ne pas perturber le système de ventilation mis en place dans les habitations

de type BBC. L’air qui circule au sein du conduit échangeur peut alors être soit de l’air neuf qui est

prélevé à l’extérieur, soit de l’air déjà présent dans l’habitation et qui est prélevé dans l’ambiance à

proximité du poêle. Dans ce dernier cas, le fonctionnement du dispositif s’apparente à celui d’un

système de type CONFORT PLUS adapté aux poêles à granulés.

Conduit

intérieur

Conduit

Dans le document Etude d'un système combiné de ventilation et de chauffage au bois dans les bâtiments à basse consommation d'énergie (Page 107-112)