Contexte professionnel — Mise en service d'une chaudière gaz
Un technicien chauffagiste met en service une chaudière gaz à condensation de 24 kW dans une maison individuelle. Lors du réglage, il doit vérifier la combustion avec un analyseur de fumées et calculer le rendement.
Le client demande : « Combien de gaz va consommer ma chaudière par mois ? Et c'est quoi la différence entre une chaudière classique et à condensation ? »
2. La combustion du méthane
Définition — Combustion
La combustion est une réaction chimique entre un combustible (gaz naturel = méthane CH4) et un comburant (oxygène O2 de l'air) qui libère de la chaleur.
Équation de combustion complète du méthane
\[ \text{CH}_4 + 2\,\text{O}_2 \rightarrow \text{CO}_2 + 2\,\text{H}_2\text{O} + \text{chaleur} \]
Réactifs : méthane + oxygène
Produits : dioxyde de carbone + eau + énergie
La combustion est complète quand tout le carbone est transformé en CO2 (pas de CO).
Combustion incomplète — DANGER
Si l'air est insuffisant, la combustion est incomplète :
\[ 2\,\text{CH}_4 + 3\,\text{O}_2 \rightarrow 2\,\text{CO} + 4\,\text{H}_2\text{O} \]
Le monoxyde de carbone (CO) est un gaz mortel, incolore et inodore. C'est pourquoi le technicien vérifie toujours le taux de CO dans les fumées (< 50 ppm obligatoire).
3. Pouvoir calorifique
Définition — PCI et PCS
PCI (Pouvoir Calorifique Inférieur) : énergie libérée quand l'eau des fumées reste à l'état de vapeur
PCS (Pouvoir Calorifique Supérieur) : énergie libérée quand l'eau des fumées est condensée (on récupère la chaleur latente)
PCS > PCI car la condensation libère de la chaleur supplémentaire.
Pouvoirs calorifiques du gaz naturel
Combustible
PCI (kWh/m³)
PCS (kWh/m³)
Gaz naturel (méthane)
10,0
11,1
Propane (GPL)
24,4
26,4
Fioul domestique
9,96 kWh/L
10,6 kWh/L
4. Rendement d'une chaudière
Formule du rendement
\[ \eta = \frac{P_{\text{utile}}}{P_{\text{absorbée}}} \times 100 \]
Chaudière classique : η ≈ 85 à 92 % sur PCI
Chaudière à condensation : η ≈ 95 à 109 % sur PCI (car elle récupère la chaleur latente)
Un rendement > 100 % sur PCI signifie que la chaudière récupère une partie de la chaleur latente (PCS). Ce n'est pas une violation des lois de la physique : c'est juste une question de référence (PCI vs PCS).
Exemple — Consommation d'une chaudière 24 kW
Chaudière à condensation, η = 105 % sur PCI, fonctionnement moyen 8 h/jour pendant 180 jours.
Énergie utile par saison : \(24 \times 8 \times 180 = 34\,560\) kWh
Énergie gaz (PCI) : \(34\,560 / 1{,}05 = 32\,914\) kWh
Volume de gaz : \(32\,914 / 10{,}0 = 3\,291\) m³
Coût (0,12 €/kWh gaz) : \(32\,914 \times 0{,}12 = 3\,950\) €/saison ≈ 660 €/mois (sur 6 mois)
À retenir
CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O + chaleur
PCI gaz naturel ≈ 10 kWh/m³ — PCS ≈ 11,1 kWh/m³
Rendement = Putile / Pabsorbée × 100
Condensation : η > 100 % sur PCI (récupération chaleur latente)
Combustion incomplète → CO mortel → vérifier à l'analyseur
Exercices
Exercice 1Équilibrer l'équation (guidé)Socle
Compléter : CH4 + … O2 → … CO2 + … H2O
Vérifier : atomes C à gauche = … ; à droite = …. Atomes H : … = …. Atomes O : … = ….
Correction : CH4 + 2 O2 → 1 CO2 + 2 H2O. C : 1 = 1 ✓ ; H : 4 = 4 ✓ ; O : 4 = 2+2 = 4 ✓
Exercice 2Énergie d'un m³ de gaz (guidé)Socle
PCI du gaz naturel = 10 kWh/m³. a) 5 m³ de gaz = … kWh b) 100 kWh = … m³ de gaz c) 1 500 m³ = … kWh
Correction : a) 5 × 10 = 50 kWh b) 100 / 10 = 10 m³ c) 1 500 × 10 = 15 000 kWh
Exercice 3Rendement d'une chaudière (guidé)Socle
Une chaudière consomme 100 kWh de gaz et fournit 92 kWh de chaleur.
\(\eta = \dfrac{92}{100} \times 100 = \ldots\) %. Où sont passés les 8 kWh manquants ?
Correction : η = 92 %. Les 8 kWh sont perdus dans les fumées chaudes (gaz brûlés évacués à haute température).
Exercice 4Coût du gaz (guidé)Socle
Consommation : 800 m³ de gaz sur une saison. PCI = 10 kWh/m³. Prix : 0,12 €/kWh.
Énergie = 800 × 10 = … kWh. Coût = … × 0,12 = … €.
Deux chaudières de 24 kW fonctionnent 1 500 h/an.
• Classique : η = 90 % sur PCI. • Condensation : η = 105 % sur PCI.
1. Énergie utile annuelle (même pour les deux). 2. Énergie gaz pour chaque chaudière. 3. Volume de gaz et coût annuel (0,12 €/kWh). 4. Économie annuelle de la condensation.
La combustion de 1 m³ de gaz naturel produit environ 2,0 kg de CO2.
1. Une maison consomme 1 500 m³/an. Calculer les émissions de CO2. 2. Convertir en tonnes. 3. L'objectif national est de réduire de 40 % les émissions d'ici 2030. Quel serait l'objectif de cette maison en kg ?
Correction : 1. 1 500 × 2,0 = 3 000 kg de CO2 2. 3,0 tonnes 3. 3 000 × 0,60 = 1 800 kg (réduction de 1 200 kg)
Exercice 7Analyse de fuméesStandard
L'analyseur de fumées indique : CO2 = 9,2 %, CO = 12 ppm, température fumées = 85 °C, rendement = 96,5 %.
1. Le taux de CO est-il conforme (< 50 ppm) ? 2. Le rendement est-il correct pour une chaudière à condensation ? 3. La température des fumées d'une chaudière à condensation doit être inférieure à 57 °C pour condenser. Que signifie 85 °C ?
Correction : 1. 12 ppm < 50 ppm → conforme 2. 96,5 % est bon pour une classique, mais faible pour une condensation (attendu > 100 % sur PCI). 3. À 85 °C, la vapeur d'eau ne condense pas. La chaudière fonctionne en mode classique (probablement le circuit retour est trop chaud). Il faut vérifier la température de retour et le réglage de la courbe de chauffe.
Exercice 8PCI vs PCS — calculApprofondissement
Le PCS du gaz naturel est 11,1 kWh/m³ et le PCI est 10,0 kWh/m³.
1. Calculer la différence PCS − PCI. C'est l'énergie de condensation de la vapeur d'eau contenue dans les fumées. 2. Quel pourcentage du PCS représente cette énergie de condensation ? 3. Une chaudière à condensation a un rendement de 97 % sur PCS. Convertir en rendement sur PCI. Indice : ηPCI = ηPCS × PCS / PCI
Exercice 9Dimensionner une chaudièreApprofondissement
Une maison a des déperditions de 12 kW. Le technicien doit choisir une chaudière gaz condensation. Les modèles disponibles sont : 15, 20, 24, 30 kW.
1. Quelle puissance minimale choisir (marge 20 %) ? 2. Estimer la consommation annuelle (1 800 h de fonctionnement, η = 105 %). 3. Calculer le coût annuel (0,12 €/kWh). 4. La même maison isolée réduit ses déperditions à 7 kW. Quelle chaudière et quel coût ?