Composition des fumées d'une chaudière HPE

La chaudière gaz à condensation HPE (Haute Performance Énergétique) est une des chaudières du marché les plus performante. Grâce à la récupération de la chaleur latente des fumées, elle consomme aux alentours de 30% de combustible (gaz, fioul, bois) en moins.

Cependant, nombreux sont les consommateurs qui se posent des questions sur l'éventuelle nocivité, odeurs, ou inconvénients des fumées rejetées par une chaudière à condensation. Notamment si celles-ci sont évacuées avec une sortie des fumées dite sur « ventouse horizontale ». Nombreux sont ceux qui ont ainsi peur (notamment à cause de la désinformation de certains professionnels préférant alourdir la facture finale par un tubage spécifique ou une évacuation plus éloignée !) qu'une sortie en ventouse horizontale et ses fumées soient incommodantes ou dangereuses par exemple pour des enfants ou des animaux si la sortie du terminal se trouve proche du sol. Pourtant il n'y a vraiment de quoi s'affoler, les risques ou dangers (aux personnes ou aux biens) étant extrêmement faibles, voire surtout inexistants !

Nous allons donc faire le point sur les éventuelles problématiques de gènes (odeurs, traces, humidité), de danger, et voir d'esthétisme.

Quelques généralités

Tout d'abord, la combustion est une réaction chimique d'oxydation exothermique :

Combustible (gaz, bois ...) + Comburant (air) → Produits de Combustion (CO₂, H₂O, N₂ …) + Chaleur

C'est aussi le fameux « triangle du feu », un modèle simple pour comprendre les éléments nécessaires pour la plupart des combustions.

La réaction chimique de la combustion ne peut ainsi se produire que si l'on réunit trois éléments : un combustible, un comburant, une énergie d'activation en quantités suffisantes. C'est pourquoi on parle du « triangle du feu ».

La nature et composition de l'air comburant est généralement l'air atmosphérique dont la composition est la suivante : Azote (N₂), Oxygène (O₂), Dioxyde de carbone (CO₂), gaz rares (Néon, Krypton…).

Compte tenu des faibles quantités (en %) du CO₂ et des gaz rares, en combustion, on utilise des quantités d'air théoriques de 79% pour l'Azote et de 21% pour l'Oxygène.

Le combustible est dans le cas d'une chaudière domestique généralement du gaz naturel, du propane, du fioul ou du bois. Enfin la « chaleur » est généralement amenée pour une chaudière par un train d'étincelles.

Les produits de combustion (fumées) sont constitués principalement de dioxydes de carbone (CO₂), de vapeur d'eau (H₂O) et d'Azote (N₂). Eventuellement (en très faible quantité ou absent), on peut retrouver Oxyde de soufre (SO₂), Oxygène (O₂), Monoxyde de carbone (CO), NO_x (NO, NO₂), Hydrogène libre (H₂), et des imbrûlés solides ou gazeux. La présence et le pourcentage de ces constituants présents dans les produits de combustion permettent de définir le type de combustion, d'envisager les risques potentiels : d'asphyxie pour les personnes (monoxyde de carbone CO), de corrosion du matériel (chaudière, conduit de fumées), de pollutions atmosphériques, d'affiner les réglages du brûleur et d'améliorer les rendements. L'azote de l'air reste globalement neutre dans la combustion. Une infime partie est oxydée. Mais ils ne sont pas pris en compte dans les équations de combustion classique, mais sont à l'origine des pluies acides par formation d'acide nitrique. C'est pourquoi des textes de loi limitant les rejets de NO_x (Oxydes d'azote) existent selon le combustible et la puissance.

Avec une chaudière classique l'eau (H₂O) issue des produits de combustion reste à l'état vapeur. Avec une chaudière à condensation, l'eau contenue dans les fumées passe de l'état vapeur à l'état liquide permettant ainsi de récupérer de l'énergie, la chaleur latente de chaleur de condensation, lors du passage de l'état vapeur à l'état liquide.

Selon la quantité d'air, le type et les réglages de l'appareil de combustion, le système d'évacuation …, la combustion sera de plus ou moins de bonne « qualité », c'est-à-dire, sans produit toxique pour l'homme ou l'environnement dans les fumées, et avec un bon rendement.

Types de combustion

Mais il ne suffit pas de mettre simplement en présence un combustible, de l'air et une étincelle pour réaliser une « bonne » combustion dans la chaudière. Ainsi, la combustion peut-être soit :

• complète si la totalité du combustible est oxydée.
• à contrario elle est incomplète s'il y a présence de combustible dans les fumées, ou si certains composants sont partiellement oxydés (ex : production de monoxyde de carbone CO).

La qualité de la combustion est clairement lié à la quantité d'air comburant disponible lors de la réaction.

On définit alors différents types de combustion :

• la combustion est dite « stœchiométrique » (« neutre » ou « théorique ») si l'air comburant est en quantité suffisante et strictement nécessaire à la combustion complète de l'unité de combustible : les fumées ne contiennent pas d'oxygène.
• la combustion est dite « oxydante » (ou en excès d'air) si une partie de l'air comburant est utilisé pour l'oxydation du combustible, l'autre partie se retrouvant dans les fumées : on détecte la présence d'oxygène dans les produits de combustion; l'excès d'air peut résulter soit d'un réglage du volet d'air au niveau du brûleur (brûleur à air soufflé), soit d'une impossibilité à régler l'arrivée d'air (brûleur atmosphérique).
• la combustion est dite « réductrice » (ou en défaut d'air) si le volume d'air admis pour la combustion de l'unité de combustible est inférieur au volume d'air stœchiométrique ; l'oxygène y est néanmoins totalement utilisé donc pas de présence d'O2 dans les fumées, mais il y a formation de monoxyde de carbone (CO).

Une combustion « parfaite »

Si clairement la combustion « réductrice » est clairement à éviter (formation de monoxyde de carbone !), il ne convient pas non plus d'avoir une combustion avec un trop grand excès d'air, même si cet excès d'air est indispensable pour une combustion complète. Car l'air en excès impliquera :

• une augmentation des pertes par les fumées,
• une diminution du rendement de la chaudière, notamment pour les chaudières HPE (à condensation).

Car une condensation efficace demande de faire fonctionner les équipements de chauffe avec une teneur en CO₂ élevée ou un faible excès d'air. II y a phénomène de condensation lorsque la température des parois des surfaces d'échange côté fumée (≈ T°C retour chaudière) chute en dessous d'un point qui est appelé « point de rosée » de la vapeur d'eau.

Or l'excès d'air a une influence directe sur les performances d'une chaudière à condensation : plus l'excès d'air est important et plus la température de rosée diminue (température de retour d'eau de chauffage à laquelle la chaudière va théoriquement condensée). Le point de rosée est donc fonction de la teneur en CO₂ des fumées. Mais comme la température de retour du réseau de distribution de chaleur dépend de sa conception, mais aussi des conditions météorologiques, cette température de rosée devrait être la plus haute possible pour être certain que la chaudière condense efficacement le plus souvent, y compris dans les chauffages présentant des températures de retour élevées. Autrement, le risque est d'avoir une température de fumée trop élevée et donc de l'eau qui reste à l'état de vapeur dans ces fumées.

C'est pourquoi il est nécessaire de viser une teneur en CO₂ maximale - donc un faible excès d'air - dans les produits de la combustion. La teneur en CO₂ pouvant être atteinte dépend en premier lieu de la conception du brûleur. Pour cette raison, il est déconseillé d'employer des brûleurs atmosphériques, leur important excès d'air induisant des teneurs en CO₂ peu élevées et donc de faibles valeurs des points de rosée des produits de la combustion. C'est pour cette raison que les chaudières modernes à condensation disposent de brûleurs modulants capables d'adapter en continu les débits d'air aux débits de gaz. Ces dispositifs (ex. Frisquet READ System, Viessmann Lambda Pro Control, Saunier Duval H-Mod ...) permettent de maintenir une teneur en CO₂ élevée même en marche modulante.

A titre d'information, pour le gaz de type H, donc à haut pouvoir calorifique (gaz de Lacq par exemple) :

• excès d'air = 0% : point de rosée = 59,2°C
• excès d'air = 20% : point de rosée = 55,6°C
• excès d'air = 40% : point de rosée = 52,7°C

En conclusion, il faut que l'excès d'air soit le plus faible possible pour avoir une température de rosée la plus haute et de meilleures conditions de condensation. Sans quoi, plus l'excès d'air est important et plus le point de rosée est bas, plus le rendement diminue donc plus la chaudière consomme de combustible pour produire une même quantité d'énergie. Or cette consommation de combustible plus importante reste non négligeable même pour de petites puissances de chaudières. En un mot, cela coûte plus cher !

La combustion du gaz naturel

La combustion en elle-même est la réaction du méthane (composant prépondérant du gaz naturel, de formule CH₄) avec l'oxygène de l'air (O₂, les 21% cités précédemment). Lors de la combustion, les atomes de carbone produisent du gaz carbonique (CO₂), ceux d'hydrogène de la vapeur d'eau, suivant la réaction :

CH₄ + 2 O₂ (+8 N₂) → CO₂ + 2 H₂O (+8 N₂) + Chaleur

La fumée contient au final les produits de la combustion du gaz méthane (CH₄), la composante en azote (N₂) inerte de l'air ayant servi à la combustion (pour rappel 79% de l'air est constitué d'Azote pour moins de 21% d'oxygène O₂) plus éventuellement de l'air en excès si l'apport d'air est trop généreux (de moins en moins sur les chaudières récentes) et des impuretés et autres scories (oxydes de soufre, particules de suie).

Les risques avec une chaudière à condensation

Odeurs des fumées

Les fumées d'une chaudière à condensation (de qualité) ne présentent aucune odeur : comme nous l'avons vu, la fumée étant constituée essentiellement d'un volume de CO₂ (9%), 2 de vapeur d'eau (18%) et 8 d'azote (73%), il s'agit de composés inodores (azote, vapeur d'eau) ou quasi-inodores (compte tenu des faibles quantités notamment pour le CO₂).

Ainsi, il vous est tout à fait possible de positionner une ventouse horizontale vers une zone passante (tout en respectant les règles d'implantation d'un terminal ventouse) comme une terrasse, une piscine, sur une voie passante (rue) etc …

Traces des fumées

Les fumées ne peuvent laisser de trace sur votre façade : d'une part celle-ci sont évacuées de manière forcées par l'extracteur de la chaudière (voir vidéo ci-dessous), les « projetant » bien en avant du terminal ventouse ; et d'autres part, les constituants des fumées pour une combustion quasi-parfaite ne « tachent » pas, sachant que seules d'éventuelles microtraces d'imbrûlés pourraient salir, mais ceux-ci seraient « capturés » par la condensation (eau) et redirigés vers la chaudière avant leur évacuations à l'égouts avec les condensats.

Danger ou toxicités des fumées

Les fumées sur une chaudière à condensation sortent à une température au grand maximum de 45°C (plus généralement à 40°C ou bien moins 90% du temps). Donc il n'y a aucun risque de brûlure par exemple pour des enfants ou des animaux qui passeraient/joueraient devant la ventouse horizontale.

Concernant la toxicité des fumées, hormis le CO2 absorbé/aspiré en très grande quantité pourrait être nocif. Or, on imagine mal quelqu'un respirant de longues minutes la bouche collée au terminal condensation, hormis de manière intentionnelle !

Pour rappel, la norme gaz impose une sortie de terminal à moins seulement de 40cm d'un ouvrant telle une fenêtre (règles de positionnement des sorties fumées gaz). Soyez ainsi assurés que si il existait un réel danger avec les fumées de combustion d'une chaudière, cette distance serait bien plus importante, voir une sortie des gaz de combustion tout simplement interdite !

Humidité des fumées

Les fumées rejetant une quantité non négligeable de vapeur d'eau, il convient de faire attention à ce qu'elles ne viennent pas « lécher » de trop près par exemple une avancée de toit en bois, sachant qu'il est tout à fait possible (et très facile) de prolonger une ventouse horizontale (en respectant les exigences du fabricant) ou d'utiliser un déflecteur pour diriger les fumées.

Bruit ou esthétisme d'une ventouse horizontale

Ces deux derniers points relèvent plus de la perception de chacun !

Côté bruit, avec des chaudières de grands noms de la chaudière (Viessmann, Saunier Duval, Frisquet, …), le rejet est quasi-inaudible (voir vidéo ci-dessous), voir inaudible ! Sachant que, quand bien même il y avait un léger bruit d'air (ou plutôt de ventilation) en direction par exemple d'une terrasse ou d'une fenêtre, en général la terrasse est occupée (où la fenêtre ouverte) aux beaux jours, donc hors période de chauffage ! En été, la chaudière ne va fonctionnement au plus pour l'eau chaude sanitaire, donc très peu, voir seulement 1 à 2 fois par jour pour celles équipées d'un ballon d'eau chaude sanitaire ou du nombre de personnes dans le foyer.

Le même raisonnement peut être exactement appliqué à la vision des fumées : celles-ci seront uniquement visibles en hiver (un aspect cotonneux blanc comme du brouillard se dissipant relativement vite), et donc dans tous les cas sans aucune nuisance visuelle en été si la ventouse était par exemple en direction d'une terrasse !

Nota : vidéo tournée en hiver (fumées voyantes) et avec une puissance brûleur maximale (production ECS - pas de modulation). En été, ou en mode chauffage (modulation), les fumées sont invisibles !

Reste donc finalement que la vision du terminal, bien que ce dernier reste assez discret avec un diamètre extérieur généralement de 10cm et une légère avancée d'une quinzaine de centimètres. Et si cette sortie s’avérerait gênante dans le cas par exemple d'une future extension du bâtiment, là encore le terminal horizontal pourrait être facilement déplacé ou rallongé.

En conclusion, si vous pouvez opter pour une ventouse horizontale pour votre nouvelle chaudière à condensation, nous ne serions que vous recommander de choisir cette solution, bien moins onéreuse qu'une rénovation de conduit de cheminée (tubage, chemisage) ou qu'une ventouse verticale.

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