Principe de fonctionnement du chauffage central

Une installation de chauffage centrale classique se compose toujours d’un Générateur de chaleur, de diffuseurs et d’un réseau de transport de la chaleur.

Bien entendu les installations comprennent, sur les appareils et sur le réseau, des éléments de sécurité indispensables.

Les chauffages centraux, pour la majeur partie, utilisent un fluide pour le transport de la chaleur. On parle de fluide caloporteur, qui le plus souvent est l’eau.

Les réseaux de chauffage sont des circuits fermés : Les apports d’eau sont assurés manuellement par une vanne de remplissage, ou par des systèmes de remplissages automatiques depuis un réseau d’eau propre (le plus souvent le réseau d’eau potable). Le remplissage automatique est fréquent dans des grosses installations mais très rare sur des installations individuelles (et très déconseillé).

De façon simplifiée on peut dire que le système fonctionne en chauffant de l’eau au niveau de la chaudière et en la faisant circuler dans les diffuseurs par le biais du réseau de chaleur.

Pour faire circuler l’eau on utilise aujourd’hui des circulateurs de chauffage constitués d’un moteur électrique et d’une turbine, cette dernière conçue pour entraîner l’eau . Dans le passé la circulation de l’eau reposait sur le principe du thermosiphon.

Le chauffage central est souvent utilisé en plus de sa fonction primaire pour assurer la production d’eau chaude sanitaire (l’eau chaude qu’on utilise au robinet).

1. Les générateurs de chaleur

Les générateurs les plus utilisés sont les chaudières au fioul et au gaz, mais on trouve encore dans certaines régions des installations alimentées au charbon ou au bois. Ces appareils utilisent la combustion pour produire de la chaleur et donc consomme de l’air, c’est pourquoi ils doivent être installés dans des locaux suffisamment ventilés. Certaines chaudières à « ventouse » échappent à cette obligation de ventilation.

Les chaudières simple service sont prévues pour assurer le chauffage. Elles peuvent aussi assurer la production d’eau chaude sanitaire en installant un préparateur sanitaire et une régulation spécifique.

Les chaudières à double services assurent à la fois le chauffage et la production sanitaire; la régulation est alors intégrée à la chaudière.

Depuis quelques années on utilise aussi des pompes à chaleur, des chaudières à granules et autres combustibles solides, des chaudières électriques, voire même des panneaux solaires (plutôt adaptés à la production d’eau chaude sanitaire).

Les chaudières fioul

Ces chaudières sont toujours posées au sol en raison de leur poids élevé et leur fort encombrement.

Les chaudières au fioul sont composées de la chaudière nue et d’un brûleur qui se fixe sur la porte du corps de chauffe. La chaudière dispose d’ une sortie d’eau chauffée (départ), d’ une entrée d’eau refroidie (retour), d’un boisseau de vidange et d’une buse de raccordement des conduits d’évacuation de produits de combustion (fumée). Les chaudières modernes sont souvent équipée de deux départs et deux retours afin de pouvoir monter un préparateur sanitaire (cf : l’eau chaude sanitaire par le chauffage central) sur la chaudière (chaudière à double service).

Le rendement de ces appareils est très variable, mais des modèles modernes dont certains à condensation livrent des performances très satisfaisantes.

Les chaudières en fonte sont un assemblage de pièces qui constituent le corps de la chaudière et peuvent dans certains cas être livrées en pièces détachées, tandis que les chaudières en acier sont mono-bloc et souvent très lourdes donc difficiles à manipuler.

Les éléments de sécurité ne sont généralement pas intégrés aux chaudières fioul. La combustion est gérée par le brûleur mais la partie hydraulique doit être gérée sur l’ installation. Il est donc nécessaire d’installer sur le réseau différentes pièces liées à la dilatation de l’eau (vase d’expansion, soupape etc.) ainsi qu’un circulateur.

Le remplissage de l’installation n’est pas équipé sur la chaudière et doit être prévu sur le réseau lors de la création de l’installation.

Les conduits d’évacuation des produits de combustion

Le fonctionnement de la chaudière implique d’évacuer les produits de combustion au delà du volume d’air respiré par le logement.

On distingue plusieurs types de conduits assurant cette fonction:

• Les cheminées traditionnelles non gainées : les fumées quelles conduisent doivent être suffisamment chaudes pour éviter la condensation.

• Les cheminées traditionnelles gainées : la vitesse des fumées est accrue, les fumées peuvent être moins chaudes. En découle une légère économie d’énergie.
• Les gaines pour chaudières à condensation : elles doivent résister à la grande acidité des fumée, et amener la condensation à s’écouler jusqu’à la chaudière pour ensuite l’évacuer. Les conduits inox à doubles parois sont les plus robustes et résistent bien au U.V (pour les parties exposées), mais sont aussi les plus coûteux.
• Les conduits ventouses : ces conduits se composent d’un tube principal qui en contient un autre en son sein. Les produits de combustion s’évacuent par le conduit central, tandis que l’air de combustion et amené par le conduit principal. L’évacuation des fumées doit se faire de sorte à ne pas réinjecter de produits de combustion dans l’air prélevé.
• Les conduits apparents sur-isolés : dans le cas ou un conduit traverse un espace exposé aux personnes, il doit être isolé de sorte à écarter tous risque de brûlures. Ils sont très utilisés sur des poêles et offrent selon la disposition, un caractère esthétique fort appréciable.

• Les conduits rigides simples reliant l’appareil à la cheminée : les gaines flexibles ne pouvant que très peu dépasser du conduit maçonné, le raccordement entre l’appareil et la gaine se fait donc en conduits rigides. Pour les chaudières à condensation, ces conduits sont généralement en PVC.

Les cheminées sont maçonnées en matériaux résistants à la chaleur (briques, parpaings etc)

Les gaines et conduits peuvent être en acier inoxydables, en acier simple, en aluminium, et même en PVC pour certaines gaines adaptées à la condensation.

Quelque soit sa nature, pour des raisons importantes de sécurité, tous conduit d’évacuation de fumée doit être ramoner régulièrement.

2. Les diffuseurs

Il existe deux grandes familles de diffuseurs de chaleur : les diffuseurs statiques qui transmettent la chaleur par convection naturelle et rayonnement, et les diffuseurs dynamiques qui allie un ventilateur qui accélère la convection.

Les diffuseurs statiques

• Les radiateurs : ils peuvent être en fonte, en acier ou en fonte d’aluminium, ici classés par ordre décroissant d’inertie. Traditionnellement le plus répandu, le radiateur fonte offre des performances très confortable. L’acier ou l’aluminium eux permettent de réaliser des produits esthétiques plus facilement (sèches serviettes, panneaux plats etc).

• Les planchers chauffants : ce diffuseur particulier se compose d’un lit en polystyrène compressé sur lequel on dispose un tuyau en serpentin recouvert par une chape flottante. La surface de la dalle correspond à la surface d’échange thermique au contact de l’air. La température de la dalle ne doit pas excéder 28°, tant pour le confort de l’utilisateur que pour sa santé.

Les diffuseurs dynamiques

• Les ventilo-convecteurs : c’est le même principe qu’un radiateur, doublé d’un ventilateur qui accélère le flux d’air. Ce ventilateur peut aussi permettre de diriger le flux d’air en inversant le schéma classique de circulation de l’air. Ces appareils sont beaucoup utilisés pour des installations de climatisations réversibles.

• Les aérothermes : d’avantage utilisés pour chauffer des grands espaces, ils se composent d’un caisson, d’une batterie de chauffe et d’un ventilateur puissant. l’eau qui y circule doit être assez chaude et le débit assez grand pour assurer un air suffisamment chauffé.

3. Les réseaux de transport

Le diamètre des tubes à utiliser doit se calculer précisément pour un fonctionnement optimal de l’installation. En combinaison avec des vannes de régulation, les sections de tubes servent à réguler l’installation. Toutefois, dans une installation individuelle, un professionnel du chauffage sait généralement déterminer les diamètres sans faire appel aux règles de calculs.

 4. Les éléments de sécurité

Il existe une grande quantité de pièces liées à la régulation et la sécurité des installations :

• Les vases d’expansion : leur rôle est d’absorber la dilatation de l’eau lors de la montée en température, et de restituer cette dilatation lorsque l’installation refroidie. Cet élément est indispensable pour maintenir une pression stable.

• Les soupapes de pression : elles assurent une limite maximum de montée en pression, afin d’éviter l’effet « cocotte minute » et les dangers qui y sont liés. Les réseaux de chauffage et les réseaux sanitaires sont bien distincts, ils doivent donc chacun contenir une soupape tarée à la bonne pression.
• Les aquastats de sécurité : ils permettent de couper l’alimentation du brûleur en cas de montée excessive de la température de l’eau, évitant ainsi la création de vapeur qui présenterai un gros danger en cas de fuite ou de délestage de pression par une soupape. En général un aquastat de régulation assure la limite de fonctionnement (max ~75°C), l’aquastat de sécurité n’intervenant qu’en cas de dysfonctionnement du premier (max ~90°).
• Les thermocouples : pièce métallique qui se dilate dans la flamme et maintien l’alimentation en gaz ouverte. Les thermocouples sont maintenant remplacés par les sondes de ionisation.

• Les cellules photo-résistantes: utilisées aussi pour la détection de la flamme, elles sont moins sensibles et leur utilisation se limite au flamme de fioul.

• Les sondes de ionisation : également utilisées pour la détection de la flamme, elles équipent la plupart des chaudières à gaz.
• Les pressostats gaz et les pressostats air : contrôle un flux d’air ou de gaz et coupe l’alimentation du bruleur en cas de défaut.
• Les soupapes différentielles : Protègent le circulateur si dans l’installation, il peut arriver que tous les robinets se ferment en même temps (robinets thermostatiques fermés par exemple). Cette soupape permet alors au circuit de boucler sur lui même et évite au circulateur de forcer en vain.

5. Le fluide caloporteur

Il peut s’agir d’eau, de vapeur surchauffée (réseaux industriels surtout), d’eau avec ajout d’antigel, de glycol (installations solaires). Bien d’autre fluides caloporteurs existent, mais ils sont appliqués dans des domaines différents.

Le chauffage domestique utilise de l’eau, et on y ajoute  dans certaines régions ou certains cas particuliers,  de l’antigel qui permet d’éviter le risque de dommages en cas de réseaux non vidangé soumis au gel.

Il n’est pas nécessaire de remplacer l’eau de l’installation régulièrement : en effet l’oxygène contenu dans l’eau s’élimine sur les parties oxydables de l’installation, et il en résulte une eau désoxygénée au bout de quelques mois. Donc sauf pour la maintenance ou en cas de problèmes avérés d’encrassement, il n’est pas utile de renouveler l’eau.

6. La circulation

La circulation a une importance très grande dans le chauffage. Autrefois l’eau des installations de chauffage circulait naturellement : c’est le principe du thermosiphon.

Lorsque on élève la température d’un fluide, il se dilate. La quantité de matière est la même, mais elle occupe plus d’espace : la masse volumique diminue, le fluide chaud devient donc plus léger. Cette propriété physique des fluides a été exploitée, particulièrement avec l’eau, pour la circulation dans le chauffage central.

Lorsque l’eau chauffe et devient plus légère, elle monte naturellement. En diffusant sa chaleur, sa masse diminue et l’eau retombe ainsi vers les points bas. En adaptant le réseau à cette circulation naturelle (section de tube et pentes importantes), on peut donc faire circuler l’eau d’un chauffage par sa simple propriété physique, sur le même schéma que le mouvement de circulation de l’air sur un radiateur. C’est le principe du thermosiphon.

7. L’eau chaude sanitaire par le chauffage central

Cette technique consiste à utiliser la chaudière pour chauffer l’eau d’un préparateur sanitaire. l’échange de chaleur peut se faire par le biais de différents appareils :

• Préparateur en bain-marie : le préparateur,posé sur la chaudière, baigne dans l’eau de chauffage qui le maintien à température constante. Cette méthode implique une température d’eau de chauffage constante, donc la régulation du chauffage est imprécise.
• Préparateur à échangeur en serpentin : le préparateur est sillonné par un serpentin qui véhicule l’eau de chauffage, transmettant ainsi l’énergie à l’eau sanitaire. Le procédé est efficace. Une sonde d’eau chaude sanitaire enclenche le cycle de chauffe, la consigne de température d’eau de chauffage est alors spécialement élevée. une fois l’eau chaude sanitaire à température, la consigne de température de l’eau de chauffage revient normale (consigne constante ou évolutive en fonction du mode de régulation). Le préparateur peut être posé et intégré à la chaudière, ou séparé et alimenté par un circuit de chauffage dédié à la production d’eau chaude et régulé séparément.
• Préparateur à échangeur à plaque : l’échange de chaleur a lieu dans un échangeur formé de plaques en nids d’abeilles. L’eau de chauffage et l’eau chaude sanitaire circulent à grande vitesse, échangeant la chaleur par le biais des plaques en contact. Cette technique permet une production très rapide d’eau chaude sanitaire, d’où son utilisation généralisée en milieu collectif et industriel. Dans ce cas, l’échangeur est posé au sol et alimenté, d’un côté par un réseau dédié de chauffage, et de l’autre par un circuit sanitaire entre le stockage (ballon) et l’échangeur. Le réseau sanitaire peut aussi servir de stockage, pour éviter le recours à un ballon tampon, mais la capacité de « tampon de consommation » est alors très faible. On retrouve également ces échangeurs dans certaines chaudières modernes individuelles.

La production d’eau chaude sanitaire tient un statut prioritaire sur le chauffage : la mise en demande d’ECS sur une installation primera donc toujours sur la demande de chauffage afin d’assurer un confort d’utilisation satisfaisant.

8. La régulation thermique

La régulation d’une installation correspond à la meilleur façon d’adapter et d’optimiser un système à une utilisation. Les possibilités de régulation sont très variées, leur choix doit donc être judicieux et en adéquation à l’usage fait de l’installation.

Les récents progrès en matière de régulation visent en partie à améliorer les performances énergétiques d’un système, en complément des progrès fait sur les engins de chauffage. Le confort de l’utilisateur grandit aussi avec ces améliorations.

• Régulation simple : seul élément de régulation, l’aquastat maintien l’eau à une consigne de température fixée manuellement par l’utilisateur. Ce type de régulation est très approximatif et mène à des dépenses de chauffage superflues.

• Régulation par thermostat d’ambiance : dans ce cas, le thermostat agit soit sur le bruleur (chauffage seul), ou sur le circulateur de chauffage (double service). Certaines chaudières intègre un régulateur à thermostat d’ambiance qui régule directement la chaudière. Ce type de régulation est confortable, mais des nouveaux progrès permettent d’accroître d’avantage les performances d’une installation.
• Thermostat d’ambiance programmable : le fonctionnement est le même qu’un thermostat simple auquel on ajoute un programmateur. Ces appareils permettent de régler des heures de « confort » et des heures « réduit », voir même des heures « économies ». Le but est de programmer en confort les périodes de présences la journée et réduire de quelques degrés la température ambiante durant les absences et la nuit. L’utilisation d’un thermostat de ce type, correctement réglé, permet des économies importantes et un grand confort thermique.
• Régulation par sonde extérieure : la sonde extérieure sert à mesurer la température hors de la maison, et ajuster la température de consigne de l’eau de chauffage automatiquement, soit par l’aquastat, soit par une vanne de mélange (chaudières à double service). Ce mode de régulation est performant et précis, il permet des économies importantes et un grand confort thermique.
• Régulation par sonde extérieure et sonde d’ambiance : en maison individuelle, c’est la régulation la plus précise qu’il y est. La température de l’eau de chauffage est rigoureusement ajustée, la diffusion est contrôlée par la sonde, et un programmateur permet le réglage de différents cycles de chauffe. Les chaudières à hautes performances disposent généralement de ces accessoires.