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Chauffage au bois rime souvent encore aujourd'hui avec chauffage bûche (avec ses contraintes) dans l'esprit du grand public. La chaudière automatique utilise du combustible bois sous forme de plaquettes (ou granulés) et en cela permet d'éliminer les contraintes et désagréments de la chaudière à bûche traditionnelle. Elle est particulièrement adaptée pour le chauffage collectif.

Les nouvelles technologies développées au départ par les pays nordiques (Autriche, Norvège, etc.) ont permis de faire évoluer les matériels qui sont désormais extrêmement performants en terme de confort d'utilisation (comparable aux chaudières gaz et fioul), et de qualité de combustion.

Fonctionnement d'une chaudière automatique à bois
Il existe deux types de chaudières automatiques à bois en fonction de la puissance de chauffe qu'elles délivrent : les chaudières à foyer volcan et celle à foyer à grilles mobiles.

L'amenée du combustible est automatique depuis le silo jusque dans la chaudière (1-2-3-4-5). Sur la base des besoins en chaleur évalués par une sonde de température sur le départ et le retour d'eau, la chaudière pilote automatiquement son alimentation en combustible et en air.
Le brûlage du bois à haute température permet une combustion complète assurant un haut rendement et limitant les rejets polluants. Celle-ci est permise par la décomposition dans le foyer des différentes étapes de la combustion du bois. Une première insufflation d'air (air primaire) permet dassurer la combustion et la gazéification du bois, tandis que l'introduction d'air à un second niveau (air secondaire) permet la combustion des gaz et goudrons. (6)
La combustion complète est garantie au travers d'une sonde à oxygène qui permet, au côté des sondes de température d'assurer la régulation et le rendement élevé (>80%).
Un échangeur de chaleur (8) positionné horizontalement ou verticalement permet le réchauffage du fluide caloporteur (eau généralement) qui est ensuite distribué. Des systèmes de ramonage mécanique ou pneumatique permettent de limiter l'intervention manuelle pour l'entretien.
Le traitement des fumées (11) en sortie de chaudières permet uniquement de limiter au maximum le rejet de poussières.
Le décendrage automatique limite la contrainte d'entretien en évacuant et stockant les cendres dans un bac adéquat (10) (la combustion quasi-complète permet d'avoir de très faible volumes de cendres 1 à 2 % du volume de bois consommé).

Le dimensionnement d'une chaudière bois en fonction des besoins des bâtiments chauffés est essentiel pour un fonctionnement adéquat. Si pour de petites puissances (0 à 200 kW) la chaudière gère bien les appels de puissance, une plage de fonctionnement de 40 à 100 % de la puissance totale pour les installations moyennes est recommandé (50-100% pour des puissances importantes -> 1 000 kW). Un surdimensionnement entraîne un fonctionnement à bas régime qui altère le rendement et la durée de vie de la chaudière, sans parler du surcoût d'investissement occasionné pour peu d'utilisation.

En résumé, la chaudière automatique est une chaudière autonome à haut rendement, qui régule, ne fume pas et produit peu de cendre.

Principe de la bi-énergie
Pour des puissances supérieures à 200 kW, il est souvent intéressant de mettre deux chaudières en cascade, une chaudière bois en base et une chaudière à énergie fossile (fioul par exemple) en appoint. Cette particularité de dimensionnement des équipements bois énergie automatique provient :
  • Du fait que le calcul théorique de la puissance prend en considération les conditions les plus défavorables (températures extrêmes en hiver et appel maximal de puissance de tous les bâtiments au même moment).
    Dans la pratique ces conditions sont réunies deux à trois fois par an. Il est donc inutile d'investir dans une chaudière bois dont la capacité totale ne serait utilisée que pour des périodes très courtes.

  • Que l'on préfèrera faire fonctionner la chaudière bois à pleine charge le plus longtemps possible (meilleur rendement et optimisation de la durée de vie) et assurer l'appoint lors des pics de consommations avec une chaudière à énergie fossile l'orsqu'il y en a besoin. La chaudière d'appoint peut aussi jouer le rôle de secours si elle est dimensionnée en conséquence.

  • De l'obligation légale pour certains bâtiments (scolaires, médical) de disposer de plusieurs chaudières pour satisfaire leur besoin de chauffage. L'investissement dune chaudière bois étant plus élevé, le recours à la bi-énergie permet d'optimiser ces investissements tout en privilégiant l'utilisation du bois comme combustible.
L'exemple du cas suivant met en évidence que le dimensionnement (à effectuer pour chaque projet sur la base dune courbe d'appel de puissance mois par mois), permet à l'énergie bois de couvrir 90% des besoins de chauffage et eau chaude sanitaire avec seulement 60% de la puissance maximale appelée. Ainsi, le bois est utilisé au maximum de son rendement et l'appoint assure le complément pour les jours les plus froids.

L'organisation de l'installation
L'installation de chauffage automatique se compose de 4 éléments essentiels qui sont :
  • Le silo de stockage du combustible.
  • Un système de transfert du combustible depuis le silo vers la chaudière.
  • La chaudière bois dans son local chaufferie.
  • Le système d'épuration des rejets gazeux et d'évacuation des cendres.
L'acheminement du combustible est réalisé par un système mécanique (vis sans fin ou tapis). Une sécurité coupe feu existe entre le stockage et le foyer afin d'éviter tout risque d'incendie.
Suivant la puissance, les besoins de chauffage et le type de combustible bois, plusieurs technologies existent pour la reprise du combustible en fond de silo et pour le transport du silo à la chaudière.

Les systèmes de dessilage

Il existe différents types de systèmes qui permettent d'extraire le combustible du silo afin de le transférer vers la chaudière.

- Le dessileur rotatif

(Cf. schéma de principe d'une chaufferie de petite puissance ci-dessus.)
Le dessileur rotatif est composé de pales souples ou articulées qui se déploient au fur et à mesure de la vidange du combustible. Il ramène ainsi le combustible sur une vis sans fin qui l'extrait du silo. Ce système impose une qualité du combustible stricte : granulométrie régulière et limitée (10 x 20 x 30 mm) pour éviter les blocages de la vis. L'humidité joue également un rôle important : un combustible trop humide se tasse et augmente les frottements qui peuvent entraîner un blocage de la vis. Le dessileur rotatif est généralement entraîné par la vis sans fin (renvoi d'angle) qui transfère le combustible jusquà la chaudière.
Ce type d'équipement est le moins coûteux à l'investissement et est efficace jusquà des diamètres de silo de 4,5 mètres. Au-delà (maxi 6 mètres sur le marché), les systèmes ne sont plus optimum et des précautions complémentaires (positionnement horizontal du dessileur) sont à prendre lors de la conception pour garantir le fonctionnement.

- Le fond racleur ou échelles racleuses

(Cf. schéma de principe dune chaufferie de moyenne à forte puissance ci-dessus.)
Il se compose d'échelles placées à plat, au sol, au fond du silo. Ces échelles, par un mouvement de va et vient alternatif, extraient le combustible jusqu'au système de transfert. De là, le combustible suit le même chemin que pour le dessileur rotatif.
Ce type de déstockage est utilisable dans tous les projets. Il est cependant plus coûteux que les systèmes rotatifs. Il sera donc majoritairement utilisé dans les cas suivants :

  • Besoin d'une capacité de silo importante (il n'y a quasiment pas de limites dimensionnelles), soit pour les installations de moyenne et forte puissance.
  • Utilisation d'un combustible de granulométrie non homogène (morceaux de taille importante ou écorces par exemple).
  • Utilisation d'un bois humide.
Les fonds racleurs sont activés par des vérins et une centrale hydraulique dont la puissance permet d'actionner les échelles en fond de silo quand ce dernier est plein de bois même sur des hauteurs importantes (4 à 5 m).
Suivant le combustible utilisé, le système de transfert en sortie d'échelles peut être une vis ou un tapis.

Les systèmes de transfert du silo jusqu'à la chaudière

Il existe deux principaux systèmes de transfert depuis le système de déstockage en fond de silo jusqu'à la chaudière : les systèmes à vis sans fin et les systèmes à tapis.

- Les vis sans fin

Les systèmes à vis sont les moins onéreux. Ils se composent d'une vis métallique de fort diamètre (allant de 100 mm à plus de 200 mm selon les cas), actionnée par un moteur électrique via un moto-réduteur. La vis tourne dans une auge métallique généralement de section carrée. Cette géométrie permet véhiculer les bouts de bois les moins calibrés dans les angles de l'auge.
Dans la majorité des cas, le transfert s'effectue par une seule vis, mais pour des cas particuliers (débit important nécessaire, granulométrie non constante, etc.), il est possible de disposer 2 vis dans la même auge.
Les systèmes à vis équipent généralement les installations de faibles à moyennes puissances (de 20 à 500 kW). Ceci sexplique par le fait que dans cette gamme de puissance :

  • L'investissement doit être le moins élevé possible pour rentabiliser rapidement l'installation.
  • Le combustible est généralement calibré et sec.
  • Les consommations de bois ne sont pas trop importantes et ne nécessitent pas d'avoir un silo de forte capacité pour obtenir une autonomie intéressante.
- Les tapis

Les systèmes à tapis se composent de bandes caoutchoutées activées par des moteurs électriques. Afin de pouvoir transporter le bois et surtout le remonter jusquà la chaudière (silo plus bas), les bandes sont soit préformées incurvées avec des retenues, soit des équerres sont fixées afin de faire des retenues pour les copeaux.

Le tapis offre l'avantage d'accepter des granulométries moins régulières ainsi que la possibilité de remonter le combustible d'un silo plus bas que la chaufferie. Il est également possible de remonter du combustible avec des vis sans fin, mais cette solution nest pas idéale en raison des nombreux renvois d'angles nécessaires, sources de blocage. Le tapis offre, de ce coté là, une continuité du transport.

Quelques règles à respecter pour la conception
Le silo

- Capacité en eau / capacité utile

La capacité d'un silo peut aller de 2 x 2m sur une hauteur de 3 m environ soit 12 m³ pour des installations individuelles jusqu'à 6 x 6m x 3 ou 4 m soit 110 m³. Ceci représente le « volume » en eau du silo. Compte tenu des pertes inévitables dans les angles (silo carré et dessileur rotatif), que l'on ne peut jamais remplir un silo en totalité et que l'on attend jamais d'être en panne pour commander une livraison, un coefficient de remplissage de 60 % semble approprié. Ainsi, le volume utile d'un silo de 100 m³ en eau n'est que de 60 m³.

Le dimensionnement du silo doit être prévu pour des volumes utiles permettant des livraisons soit de 30 m3, soit de 60 m3 soit de 100 m3, volume de livraison habituel des camions standard.

- Accès au silo pour les livraisons

L'accès au silo est souvent le problème récurent des installations et la principale source de contre-référence. Il est important de réfléchir l'accès pour les camions de livraisons dans la globalité du projet :

  • Quel type de camions va venir livrer ?
  • Est-ce que le camion peut manúuvrer facilement ?
  • La trappe de livraison est-elle suffisamment dimensionnée ? (optimal 3m x 2m)
  • Le camion peut-il benner sans difficulté ? (débord de toiture, gouttières, muret à proximité, etc)
  • Que se passe-t-il en cas de conditions météorologiques défavorable ? (neige, vent, etc)
Autant de questions importantes à se poser et à résoudre lors de la conception, faute de quoi le bon fonctionnement de la l'installation est altéré. Il est toujours nécessaire d'optimiser l'installation à la conception, la reprise des erreurs postérieure à la mise en route est toujours compliquée et extrêmement coûteuse.

La chaufferie

- Surface nécessaire

Le génie civil représente un poste d'investissement important. Il est essentiel de bien dimensionner la surface en tenant compte de plusieurs paramètres :

  • Encombrement de la chaudière.
  • Dégagements nécessaires à l'entretien courant de la chaudière (autour et au dessus).
  • Dégagements nécessaires au remplacement d'un élément de la chaudière (vis, etc).
  • Espace permettant de stocker un minimum de matériel pour assurer la maintenance (fluide, matériel, etc).
  • Espace permettant de stocker un 2ème bac à cendre le cas échéant.
- Accès

Les accès à la chaufferie sont également importants. Selon la configuration, la puissance et la consommation de la chaudière, il peut devenir très délicat d'assurer l'entretien courant. L'évacuation des cendres est un exemple de problèmes que l'on rencontre résultant d'une mauvaise conception : il est très délicat (voire impossible) de sortir un bac à cendre de 30 kg (sur roulette) par une rampe d'escalier (cas de chaufferie en sous sol). De même une rampe d'accès non couverte peut rapidement devenir impraticable en cas de chute de neige.
Les eaux de ruissellement doivent être traitées avec la plus grande attention pour ne pas qu'elles prennent directement le chemin de la chaufferie.
Comme pour le silo, il convient de bien penser ces éléments et se mettre à la place du personnel qui assurera le suivi au quotidien. Quelques petites économies à l'investissement engendrent généralement de forts coûts et désagréments au fonctionnement...

Configuration silo chaufferie

Le silo et la chaufferie forment ainsi un couple indissociable dont l'implantation sera déterminée par les conditions d'accès détaillées ci-dessus, la configuration du bâtiment et du terrain. Une bonne implantation est la condition de réussite de votre projet. Les principales configurations sont les suivantes :

Le réseau de chaleur et les sous stations

- Intérêt du réseau de chaleur

Le coût d'investissement d'une chaudière à bois est assez important. Afin de ne pas multiplier les équipements, il est plus intéressant de raccorder les différents bâtiments entre eux par un réseau de chaleur enterré. La conception du réseau de chaleur détermine la pertinence de raccordement des bâtiments au réseau. On peut retenir :

  • Que la pertinence de raccordement d'un bâtiment dépend de son éloignement au regard des besoins de chauffage au bâtiments : plus un bâtiment sera éloigné, plus il faudra quil soit consommateur.
  • Que sur le tracé du réseau, le raccordement d'un maximum de bâtiments améliorera d'autant la rentabilité globale du réseau.
Le réseau (tubes pré isolés) se situe à environ 80 cm de profondeur et occasionne peu de déperditions (environ 1°C par kilomètre). De plus cette solution permet de minimiser les coûts de maintenance en assurant l'entretien d'une seule installation.

Le réseau de chaleur présente l'avantage de disposer d'une seule installation à suivre. Ainsi les coûts de maintenance sont optimisés et les consommations des bâtiments sont maîtrisées. Le client est dégagé de tout entretien d'une installation propre, il se contente d'acheter les calories quil consomme.

- Les sous stations

Des sous stations sont placées à chaque entrée de bâtiment. Elles représentent l'équivalent d'une chaudière sur le bâtiment considéré. Suivant la puissance appelée par le bâtiment, il faut généralement prévoir une surface allant de 1 à 3 m² pour créer une sous station.
Les sous stations peuvent être composées :

  • Soit d'un échangeur de chaleur : dans ce cas, les fluides entre le réseau et le bâtiment sont séparés. Il n'y a donc pas de risque de dérèglement du réseau si une intervention est effectuée sur un radiateur.
  • Soit dune bouteille de mélange : dans ce cas, il n'y a pas de séparation des fluides. Une fuite créée sur un radiateur influe directement sur l'équilibre du réseau. Cette technologie moins coûteuse qu'un échangeur est à limiter au seul cas où le réseau et les bâtiments sont gérés par les mêmes personnes.
Pour en savoir plus :

http://www.cibe.fr
http://www.biomasse-normandie.org

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