INSERT AVEC ECHANGEUR
SUR PLANCHER CHAUFFANT
Par Francis GABORIT
CARROS 06
francis.gaborit0252 chez orange.fr
Par Francis GABORIT
CARROS 06
francis.gaborit0252 chez orange.fr
Après avoir installé un système de
chauffage et
chauffe-eau solaires combinés (novembre 2008), pour limiter
l’utilisation d’énergie électrique en
appoint, il fallait compléter par un chauffage d’appoint
au bois. Un vrai !
La cheminée à foyer ouvert ne servait que de décoration…
En
février 2009, j’ai installé un insert dans le foyer
de l’ancienne cheminée. Puis j’ai ajouté un
échangeur, opérationnel depuis octobre 2009.
Cet
hiver, la maison a été chauffée au soleil et au
bois ! avec juste quelques kW.h d’électricité pour
les circulateurs.
Pourquoi un appoint de chauffage au bois ?
L’énergie solaire est à la source de la photo-synthèse, et le bois en est le produit fini.
Le bois est un condensât d’énergie solaire !
Il est donc tout naturellement l’énergie d’appoint idéale pour un système de chauffage solaire.
Autour
de la maison, le terrain de 3800m2 est boisé et son entretien
procure une bonne quantité de bois, qu’il serait bien
dommage de ne pas utiliser ! Mais la cheminée à foyer
ouvert était un gouffre à bois : une consommation
énorme pour un tout petit peu de chaleur restituée, et un
refroidissement des chambres par appel d’air !!! Elle ne
servait quasiment jamais (2 ou 3 fois par hiver).
La pose
d’un insert s’est imposée comme un besoin
évident. Un modèle Deville 9kW très compact
à double parois a permis une installation sans rien casser dans
la cheminée existante. Un tubage du conduit en tube Inox assure
l’évacuation des fumées. Le rendement
annoncé est de 70% !
Emplacement de l’insert dans la maison.
La
maison est située sur un coteau plein sud, et
l’accès se fait par le haut du terrain. Pour des raisons
de commodité, les pièces de vie sont de plein-pied avec
la cour, et les chambres sont à l’étage
inférieur.
Cette configuration permet de conserver naturellement les chambres à une température 3 ou 4°C plus basse que les pièces de vie en été, car le soleil ne donne pas sur les portes-fenêtres des chambres, ce qui est très agréable!
En hiver, le soleil pénètre jusqu’au fond des chambres et apporte un complément de chauffage solaire passif (total de surface vitrée au sud = 15m2).
Cette configuration permet de conserver naturellement les chambres à une température 3 ou 4°C plus basse que les pièces de vie en été, car le soleil ne donne pas sur les portes-fenêtres des chambres, ce qui est très agréable!
En hiver, le soleil pénètre jusqu’au fond des chambres et apporte un complément de chauffage solaire passif (total de surface vitrée au sud = 15m2).
La cheminée est située dans le salon/salle à manger, dans l’angle intérieur de la pièce.
Pourquoi ajouter un échangeur ?
Parce
qu’il est impossible de chauffer les chambres en convection
naturelle avec l’insert. De plus, la maison étant bien
isolée, il ne faut pas faire un feu trop fort ni trop long,
sinon la température autour de l’insert devient
insupportable, alors que les chambre restent froides ! Pas facile
à gérer ! Quant à passer des canalisations
d’air chaud, les contraintes m’ont semblées trop
importantes : grandes longueurs, canalisations encombrantes et
difficiles à bien isoler, pertes importantes si passage dans les
combles, etc…
La solution : coupler l’insert sur le plancher chauffant par un échangeur air/eau. Cela résout les 2 problèmes à la fois : l’énergie transmise au plancher est autant de moins dans la salle à manger.
Les
inserts bouilleurs sont trop puissants et trop gros pour être
installés facilement dans ma cheminée, raison pour
laquelle je les avais écartés d’emblée. Un
petit insert avec doubles parois permet de récupérer un
maximum d’énergie sur l’air chaud qui sort des
bouches supérieures.
Pour le coupler au plancher, il faut un échangeur de bonne surface, mais compact pour l’installer au dessus de l’insert à l’intérieur de la hotte….
Un échangeur en cuivre serait trop gros , et difficile à construire . Pour être efficace, un échangeur air/eau doit avoir des ailettes très serrées, sinon une partie de l’air passe au travers sans céder ses calories.
L’idéal est une structure en nid d’abeille….
Un radiateur de voiture est parfait pour cette fonction : conçu pour travailler en ambiance chaude, il offre une grande surface d’échange. Il ne supporte que 0.8bar de pression au maximum, mais ma chaudière est ouverte, et le radiateur ne supportera que 1m de hauteur d’eau, soit 0.1bar de pression.
Reste à faire l’adaptation mécanique pour la fixation et le guidage du flux d’air, et hydraulique pour raccorder les entrée-sortie sur le circuit du chauffage.
Pour le coupler au plancher, il faut un échangeur de bonne surface, mais compact pour l’installer au dessus de l’insert à l’intérieur de la hotte….
Un échangeur en cuivre serait trop gros , et difficile à construire . Pour être efficace, un échangeur air/eau doit avoir des ailettes très serrées, sinon une partie de l’air passe au travers sans céder ses calories.
L’idéal est une structure en nid d’abeille….
Un radiateur de voiture est parfait pour cette fonction : conçu pour travailler en ambiance chaude, il offre une grande surface d’échange. Il ne supporte que 0.8bar de pression au maximum, mais ma chaudière est ouverte, et le radiateur ne supportera que 1m de hauteur d’eau, soit 0.1bar de pression.
Reste à faire l’adaptation mécanique pour la fixation et le guidage du flux d’air, et hydraulique pour raccorder les entrée-sortie sur le circuit du chauffage.
Petit calcul d’un échangeur air-eau sur insert de cheminée.
L’échangeur
placé au dessus de l’insert est un radiateur de
refroidissement de voiture. L’air ambiant est pulsé par un
rampe de 6 ventilateurs entre les deux parois de l’insert, puis
à travers l’échangeur. Il se réchauffe au
contact des parois de l’insert et sort à une
température élevée , de 60° à 120°C
(mesuré en convection naturelle) suivant
l’intensité du feu et la vitesse de circulation de
l’air. Une régulation de température est
prévue pour la commande de vitesse des ventilateurs. La
température de l’air d’entrée sur le
radiateur sera ainsi limitée à 80°C environ.
Cm_air = 1006 J/kg.K (= chaleur massique)
ρ_air = 1,177kg/m3 (= masse volumique)
Cm-eau = 4,186 kJ/kg.K
ρ_eau = 1000kg/m3
On prend comme hypothèse de départ que la température est régulée à 80°C et que le débit d’air est variable :
Température air entrée échangeur = T_air_in = 80°C
Température air sortie échangeur = T_air_out = 30°C
Température eau entrée échangeur = T_eau_in = 20°C
Température eau sortie échangeur = T_eau_out
La quantité d’énergie échangée est :
E_éch = (Volume_air) x (ρ_air) x (Cm_air) x (T_air_out - T_air_in )
E_éch = ( 1 m3) x (1,177) x (1006 ) x ( 80 – 30) = 59,2kJ pour 1m3.
Ramené sur une durée de 1 heure (3600s), cela donne :
pour un débit de 1m3/heure, l’échange est de 59,2kJ/3600s = 16,44J/s = 16,44 Watts.
Un débit de 100m3/h à 80°C donnerait une puissance de 1644 Watts.
Les ventilateurs choisis débitent chacun au maximum 80m3 par heure, soit un total de 480m3/h .
Avec
un débit réduit à 200m3/h, la puissance fournie au
circuit d’eau sera de 3288 Watts, ce qui est largement suffisant
pour couvrir les besoins de chauffage des autres pièces . Il ne
sera pas nécessaire que l’insert fonctionne à
pleine puissance 24h/24h. Il devrait être possible de ne
l’utiliser que 12h la nuit par exemple, l’énergie
fournie serait déjà suffisante, compte tenu du fait que
l’insert chauffera directement la salle à manger et les
pièces attenantes par convection naturelle.
La surface frontale du radiateur est de 0,6m x 0,3m moins la surface des tubes et ailettes , soit 0,15m2 environ. Un débit de 100m3/h représente donc une vitesse de 18,5cm/s. Cette faible vitesse est importante pour un bon transfert de chaleur à l’échangeur.
La surface réelle développée des ailettes et tubes du radiateur est de 2,8m2 , autre paramètre important pour un bon échange entre l’air chauffé par l’insert et l’eau du circuit de chauffage.
La surface frontale du radiateur est de 0,6m x 0,3m moins la surface des tubes et ailettes , soit 0,15m2 environ. Un débit de 100m3/h représente donc une vitesse de 18,5cm/s. Cette faible vitesse est importante pour un bon transfert de chaleur à l’échangeur.
La surface réelle développée des ailettes et tubes du radiateur est de 2,8m2 , autre paramètre important pour un bon échange entre l’air chauffé par l’insert et l’eau du circuit de chauffage.
Fonctionnement de l’insert et de son échangeur.
Le
principe de base est de récupérer au maximum la chaleur
dégagée par l’insert et de la canaliser vers un
échangeur air/eau qui la transmet au plancher chauffant.
La figure qui suit, montre la disposition de l’insert, de l’échangeur, des ventilateurs et des conduits d’air et de fumées montés à l’intérieur du foyer et de la hotte de l’ancienne cheminée.
Elle montre également les flux de circulation d’air, optimisés après plusieurs essais, et modifications.
La figure qui suit, montre la disposition de l’insert, de l’échangeur, des ventilateurs et des conduits d’air et de fumées montés à l’intérieur du foyer et de la hotte de l’ancienne cheminée.
Elle montre également les flux de circulation d’air, optimisés après plusieurs essais, et modifications.
- Une isolation additionnelle de l’insert par 5 cm de béton cellulaire (côtés, dessus et arrière) contribue à diminuer les pertes de chaleur par les parois externes, donc améliorer le transfert de chaleur à l’échangeur.
- La ventilation de l’insert est assurée par une rampe de 6 ventilateurs (puissance totale 12 Watts) placée en dessous (moins de bruit) : les ventilateurs étaient initialement placés à l’avant de l’insert, et en dessous. Cet emplacement était moins favorable, car l’air était aspiré devant et en bas de la porte de l’insert, et la chaleur dégagée par celle-ci ne pouvait pas retourner à l’échangeur et chauffait excessivement le salon.
- Les ventilateurs « poussent » l’air frais entre les doubles parois de l’insert, ils fonctionnent à moins de 30°C.
- Un filet d’air « frais » sort sous la porte vitrée à l’avant de l’insert: il crée un petit flux d’air devant l’insert et permet de récupérer l’air réchauffé à son contact. Cet air est « frais » car il passe sous le bac à cendres : la tôle de dessous l’insert n’est que tiède.
- L’air chauffé entre les parois de l’insert sort au dessus, par 2 bouches circulaires de 120mm, dans le boîtier de l’échangeur . Il se refroidit en traversant l’échangeur, et redescend ensuite derrière l’insert, aspiré par les ventilateurs.
- L’air tiède (chauffé par le conduit de fumées, la porte de l’insert et le boîtier de l’échangeur) monte par convection naturelle en haut de la hotte. Il y est aspiré par une gaine flexible en aluminium ( diamètre 100mm) , puis rejeté devant la rampe de ventilateurs. Il permet de récupérer le maximum de la chaleur « perdue » dans la hotte . L’effet est triple : davantage de chaleur récupérée par l’échangeur et transmise au plancher, pas de couche d’air chaud au plafond (moins de pertes ) , et moins de chaleur dans la pièce où est l’insert (meilleur confort). Ce dernier point est très important, car dans une maison bien isolée, même un « petit » insert de 9kW dégage une chaleur très vite insupportable !
- L’échangeur collecte ainsi plus de 75% de l’énergie délivrée par l’insert, et la cède au plancher chauffant. Il transforme en fait, l’insert en chaudière de chauffage central à bois.
- L’insert et son échangeur permettent d’assurer intégralement le chauffage de la maison, donc de servir d’appoint au système de chauffage solaire.
Et pour la régulation de température ?
L’échangeur
réchauffe le retour du plancher chauffant, et son apport est
pris en compte par les régulations du système sans
modification. Tout se comporte comme si le plancher était
dèjà chaud.
La seule modification a consisté à forcer le démarrage du chauffage en mode « Nuit » lorsque l’insert est chaud. Cette commande est réalisée par un thermostat à 60°C, doublé par sécurité, et plaqué sur la tôle supérieure de l’insert. Il commande la mise en marche des ventilateurs et force le circuit de chauffage en mode « Nuit » .
La seule modification a consisté à forcer le démarrage du chauffage en mode « Nuit » lorsque l’insert est chaud. Cette commande est réalisée par un thermostat à 60°C, doublé par sécurité, et plaqué sur la tôle supérieure de l’insert. Il commande la mise en marche des ventilateurs et force le circuit de chauffage en mode « Nuit » .
Schéma du chauffage appoint de
nuit (solaire / bois / électrique).
En mode « nuit », les panneaus
solaires sont hors circuit.
Les trois sources de chaleur sont couplées en série : en sortant du plancher, l’eau passe d’abord par l’échangeur de l’insert, puis dans l’échangeur de la cuve solaire, puis dans la chaudière électrique (qui sert aussi de vase d’expansion) .
L’apport d’énergie de l’insert est pris en compte par la régulation qui contrôle la vanne 3 voies thermostatique de l’échangeur solaire, et qui commande aussi si besoin l’appoint par la chaudière électrique.
La chaudière électrique ne peut se mettre effectivement en marche que si son disjoncteur est enclenché. Et il ne l’a jamais été cet hiver !
Les trois sources de chaleur sont couplées en série : en sortant du plancher, l’eau passe d’abord par l’échangeur de l’insert, puis dans l’échangeur de la cuve solaire, puis dans la chaudière électrique (qui sert aussi de vase d’expansion) .
L’apport d’énergie de l’insert est pris en compte par la régulation qui contrôle la vanne 3 voies thermostatique de l’échangeur solaire, et qui commande aussi si besoin l’appoint par la chaudière électrique.
La chaudière électrique ne peut se mettre effectivement en marche que si son disjoncteur est enclenché. Et il ne l’a jamais été cet hiver !
Le montage de l’insert et de l’échangeur en photos.
Percement de la dalle sous l’insert pour le passage des durites de raccordements au circuit du plancher qui passe dans le vide sanitaire, sous la cheminée.
Tubage du conduit en 150mm Inox , et percement du doublage en briques pour la sortie des durites.
L’insert avec ses deux bouches d’air avant ouvertes, le raccordement au conduit de fumées est au centre.
Le radiateur/échangeur avec un manchon de durite 32mm et un réducteur cuivre 32-26mm.
Le raccord droit monté, prêt à recevoir une durite de 25mm intérieur.
Le raccord gauche est coudé pour faciliter le raccordement à la durite, plus près du mur.
L’échangeur et ses raccords.
L’insert avec la tôle support de l’échangeur.
L’échangeur (avec cartons de protection) posé sur sa tôle support.
Pose des tôles latérales et supérieures (tôles pliées en U) : le montage se fait très simplement par emboitement, sans aucune vis. Au montage final, quelques gouttes de mastic silicone maintiendront les joues sur le support.
Vue de côté.
Avec la tôle de fermeture frontale.
Le boîtier de l’échangeur couvre les deux bouches d’air avant...
…et laisse la sortie de fumée dégagée.
Raccordement de l’échangeur aux durites qui passent entre le doublage de briques et l’isolation extérieure .
Vue intérieure de la hotte avant la pose de l’insert.
Plaque isolante en Siporex derrière l’insert…
Isolation des parois latérales et supérieure en Siporex.
Insert posé, avec isolation et tubage.
Insert et tôle support d’échangeur en place.
Insert, tôle support et échangeur en place.
Vue arrière de l’échangeur avec les 2 protections de la durite contre la chaleur du conduit de fumées.
Boîtier de commande, avec thermostat, sonde de température, et ventilateurs.
Double thermostat , et sonde de température pour commande de vitesse des ventilateurs.
Purgeur accessible par la bouche d’air gauche de la hotte.
Raccordement sur le retour plancher par deux vannes d’isolement et un by-pass.
Rampe de ventilateurs.
Montage sous l’insert.
Après peinture en noir des parties visibles…
Bilan.
Pour un coût de moins de 1000€
(insert 700€, radiateur 50€, durites plomberie, ventilateurs. etc
250€), cet insert et son échangeur sont suffisants pour chauffer la
maison en totalité.
Par temps de pluie doux, il n’est pas nécessaire de le faire fonctionner en permanence, les 12h de nuit suffisent. Même les jours de froids gris sont passés sans appoint électrique !
Cet hiver a été un bon test, car, malheureusement, le soleil s’est fait rare même sur la Côte d’Azur . La consommation de bois est faible grâce au bon rendement de l’insert.
Bien sûr, il faut surveiller le thermomètre et mettre le bois quand il faut. Mai avec l’inertie de la maison , c’est assez facile à gérer. Et bien évidemment, il faut faire le bois, et le remonter à la maison, et ici avec les restanques, c’est vraiment du sport !, mais on n’a rien sans rien , n’est-ce-pas ?
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Par temps de pluie doux, il n’est pas nécessaire de le faire fonctionner en permanence, les 12h de nuit suffisent. Même les jours de froids gris sont passés sans appoint électrique !
Cet hiver a été un bon test, car, malheureusement, le soleil s’est fait rare même sur la Côte d’Azur . La consommation de bois est faible grâce au bon rendement de l’insert.
Bien sûr, il faut surveiller le thermomètre et mettre le bois quand il faut. Mai avec l’inertie de la maison , c’est assez facile à gérer. Et bien évidemment, il faut faire le bois, et le remonter à la maison, et ici avec les restanques, c’est vraiment du sport !, mais on n’a rien sans rien , n’est-ce-pas ?
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