Le Dimensionnement en puissance

Note : Une autre version de cet article a été écrite pour le site http://batchrocket.eu/fr/construction et une feuille de calcul est disponible ici : dimensionnement_batchrocket.xlsx.

Le principe

Le dimensionnement d'un poêle consiste à trouver la taille de poêle adaptée au volume à chauffer.

1. Calculer la puissance de chauffe nécesseraire

Schéma du principe du transfert de chaleur dans une maison.
Schéma réalisé par G. Stephens, association UZUME.

On commence par le calcul des déperditions thermiques de la maison ou de la pièce à chauffer.

En effet, le poêle de masse va maintenir une température intérieure constante en compensant les pertes d'énergie vers l'extérieur. Ainsi, la puissance de chauffe dégagée par le poêle doit être égale aux déperditions pour que la température reste constante.

Ces déperditions thermiques dépendent principalement de trois paramètres :

  1. La température intérieure par rapport à la température extérieure;
  2. La qualité de l'isolation;
  3. Le volume total à chauffer.
Par exemple, un plus grand volume à chauffer ou avec une moins bonne isolation nécessiteront un poêle plus puissant pour maintenir la même température intérieure.

Ce n'est donc pas la puissance du poêle de masse qui détermine la quantité de bois à brûler, ce sont les déperditions thermiques de la maison.

La puissance d'un poêle de masse correspond à la puissance moyenne qu'il dégage sur une période de 24h, en considérant une, deux ou trois flambées par jour et un rendement total (combustion x récupération de la chaleur) de 80%.

On choisit ensuite la puissance du poêle en fonction des déperditions du volume à chauffer. La puissance du poêle doit être supérieure aux déperditions. Il est TRÈS important de toujours surdimensionner le poêle de masse.

2. Comprendre la notion d'isolation

Isolation versus inertie

Beaucoup d'erreurs de dimensionnement sont lié à un confusion entre les notions d'inertie et d'isolation :

  • Un matériau inertiel (pierre, brique, terre..) va absorber la chaleur ;
  • Un matériau isolant (laine de bois, paille, chanvre..) va renvoyer la chaleur ;

Pour les maisons c'est une différence très importante car si la chaleur du poêle de masse est absorbée par un mur inertiel en contact avec l'extérieur, elle sera ensuite ré-émise vers l'extérieur.. et donc perdue !

Si au contraire les murs de la maison sont isolants, la chaleur sera renvoyée vers l'intérieur pour garder au chaud ses habitants.

Quelques comparaisons

Comparons les qualités isolantes de divers matériaux classiques par rapport à un isolant de référence en éco-construction : la fibre de bois.

Quelle est l'épaisseur d'un matériau donné qui permet d'atteindre la même isolation que 10 cm de panneau en fibres de bois ?

Matériaux Conductivité thermique λ en W/(m.K)[1] Épaisseur équivalente
Panneau en fibres de bois 0,04 10 cm
Mur en bottes de paille sur champ 0,052 13 cm
Mur en terre-paille à 212 kg/m3 0,078 19,5 cm
Mur en béton cellulaire 0,1 25 cm
Enduit correcteur en chaux-chanvre 0,11 27,5 cm
Mur en briques Monomur 0,12 30 cm
Mur en pisé (terre crue compactée) ou en torchis 0,59 147,5 cm
Mur en briques anciennes 0,6 150 cm
Mur en agglos (parpaings de ciment) 0,95 237,5 cm
Mur en béton de ciment 1,6 400 cm
Mur en pierres (calcaire dur ou grès) 2,3 575 cm

Vous l'aurez compris, les maisons traditionnelles françaises sont très mal isolées ! Si votre calcul de déperdition abouti à des puissances énormes.. pensez à isoler votre maison avant tout.

3. Trouver la masse correspondante

Quelle inertie ?

L'inertie correspond à la durée pendant laquelle le poêle de masse va rayonner sa chaleur après une flambée. L'inertie d'un poêle dépend fortement de l'isolation de la maison ! En effet, plus la maison est froide, plus le poêle va rayonner vite et fort. C'est une régulation naturelle. Dans une maison très bien isolée, le poêle diffusera sa chaleur beaucoup plus longtemps car la maison reste chaude plus longtemps.

En général, une bonne approximation est données par la formule : 100 kg de briques = 1h d'inertie. Par exemple, un poêle de 2 tonnes, c'est environ 20h d'inertie.

Dans le climat français, il nous parait cohérent que les poêles de masse aient 5 à 24h d'inertie. Au delà, on chauffe sa maison avec une seule flambée pendant plusieurs jours. C'est délicat car d'un jour à l'autre les températures peuvent beaucoup varier. Le poêle devient alors trop lourd pour s'adapter aux variations journalières de température.

Les catégories de poêles

On peut classer les poêles de masse en fonction de leur rapport poids/puissance. En allemagne[2], la classification des poêles de masse est la suivante :

  • En dessous de 55 kg de briques par kg de bois, c'est un poêle léger.
  • Entre 55 et 110 kg de briques par kg de bois, c'est un poêle moyen.
  • Au dessus de 110 kg de briques par kg de bois, c'est un poêle lourd.
Par exemple un foyer qui brûle 14 kg de bois par flambée est considéré comme "lourd" s'il fait plus de 110x14 = 1540 kg.

Plus le poêle est lourd plus il a de l'inertie et plus sa température de surface est basse.

En pratique, il est très difficile de descendre en dessous de 110 kg de briques par kg de bois tout en gardant un poêle solide. C'est l'un de nos axe de recherche majeurs : des poêles de masse légers et solides.

Inertie et puissance

Maintenant que nous connaissons la puissance nécessaire, nous pouvons chercher la masse idéale pour le poêle. Il faut avant tout réaliser qu'à puissance égale, plus le poêle est lourd, moins il est puissant.

En effet, lorsque l'on fait un feu dans un poêle de masse, les briques absorbent d'abord la chaleur pendant la flambée. Ensuite, elles restituent cette chaleur dans la maison sur une période assez longue. L'absortion de chaleur est rapide, la restitution est lente.

Il faut que les briques aient eu le temps de restituer leur chaleur et de refroidir avant de faire une nouvelle flambée. Si les briques sont encore très chaudes quand vous faites une nouvelle flambée, il va se passer deux choses :

  1. Les briques vont moins bien absorber la chaleur des fumées car elles sont déjà chaudes. Le rendement sera donc moins bon. On dit que le poêle sature.
  2. Le poêle va encore monter en température et risque de surchauffer. Dans ce cas les briques se dilatent trop fortement et les joints sont fragilisés voir brisés. Des fissures apparaissent : le poêle s'abime.
Or, plus le poêle est lourd, plus il a de l'inertie et plus il va mettre de temps à diffuser sa chaleur. On ne pourra donc pas faire autant de flambées par jour que sur un poêle "léger". Inertie et puissance sont donc incompatibles dans un poêle de masse !

L'influence de la maison

Le juste équilibre dépend de la maison :

  • Pour une maison non inertielle (isolation par l'intérieur, par exemple), les poêles lourds sont plus adaptés parce qu'ils apportent de l'inertie.
  • Pour une maison inertielle (Mas en pierres, en briques ou maison en bottes de paille avec enduits intérieurs épais) il n'y pas besoin d'apporter d'inertie.. la maison rempli déjà ce rôle ! Les poêles de masse "légers" sont plus adaptés.
  • Pour une maison non isolée, il faut des poêles "légers" et puissants que l'on peut recharger souvent. Ils diffusent beaucoup de chaleur mais l'autonomie est moyenne.

La pratique

La formule :

En pratique, les déperditions thermiques sont calculées à partir de la formule suivante :

\(Q=G*V*\Delta T\)

Avec \(Q\) les déperditions thermiques en Watt, \(G\) le coefficient d'isolation, \(V\) le volume de la maison ou de la pièce à chauffer en m3 et \(\Delta T\) la différence de température entre l'intérieur et l'extérieur de la maison, en °C.

Les différents coefficients possibles

Le coefficient d'isolation \(G\) est estimé en comparaison d'une série de valeurs de référence :

      \(G=1.8\) pour une maison ancienne non isolée type ferme ou mas
      \(G=1.6\) pour une maison non isolée en briques, pierres maçonnées, parpaings béton
      \(G=1.4\) pour une maison isolée avec 4cm de polystyrène (ou fibre de bois)
      \(G=1.2\) pour une maison isolée avec 10cm de polystyrène (ou fibre de bois)
      \(G=0.8\) pour une maison type RT2000
      \(G=0.5\) pour une maison type RT2012 en briques Monomur de 37,5 cm par exemple
      \(G=0.3\) pour une isolation exceptionnelle (ossature bois/remplissage paille avec de bons apports solaires par exemple)

Un exemple classique :

Prenons par exemple une maison ancienne de type mas provençal non isolée, de 50m2 au sol et de 2,5m sous plafond. Nous voulons que le poêle de masse maintienne la température intérieure à 20°C lorsqu'il fait -5°C à l'extérieur.

Ici, -5°C correspond à une température très froide pour la région et qui n'arrive qu'une ou deux semaines par an.

Dans ce cas, le calcul des déperditions de la maison donne :

\(Q=1.8*50*2.5*25=5700W\)

Reste maintenant à trouver le poêle qui correspond !

La puissance des Batchrockets

Les valeurs de référence :

La quantité de bois que peut brûler un Batchrocket en une flambée est dictée par le volume du foyer et le nombre de chargements journaliers. Plus le diamètre de la cheminée interne est important, plus le foyer peut accueillir une quantité importante de bois, donc plus le poêle est puissant.

Plus le foyer est chargé souvent, plus le poêle dégagera de la chaleur.

Diamètre de la cheminée interne (mm) 140 165 200 230 250
Quantité de bois par flambée (kg) 4,9 8,0 14,2 21,6 27,8
Puissance moyenne (W)
En considérant 1 flambée par jour 800 1200 2200 3300 4300
En considérant 2 flambées par jour 1500 2500 4400 6700 8600
En considérant 3 flambées par jour 2300 3700 6600 10000 12800

Reprenons notre exemple :

Pour chauffer le mas provencal avec les critères précédents, il faudrait un Batchrocket d'une puissance minimale de 5700W.

Plusieurs choix sont possibles :

  • Les occupants font 3 flambées par jour quand il fait -5°C. Dans ce cas ils peuvent utiliser un Batchrocket dont le diamètre de la cheminée interne mesure 200 mm et qui dégage 6600W de puissance moyenne sous 3 flambées par jour.

    En pratique on fait une flambée le matin et une double flambée (deux chargements successifs) le soir. Donc 42 kg de bois par jour quand il fait -5°C.

  • Les occupants ne peuvent faire que 2 flambées par jour quand il fait -5°C. Dans ce cas ils peuvent utiliser un Batchrocket dont le diamètre de la cheminée interne mesure 230 mm et qui dégage 6700W de puissance moyenne sous 2 flambées par jour.
  • Les occupants utilisent un petit poêle, comme un Batchrocket de 165 mm par exemple, et complètent leur chauffage dans les périodes les plus froides avec un appoint (fioul, électricité, etc..).

À quoi ça correspond ?

Lorsque l'on dit qu'un poêle de masse a une puissance de 8000W sous deux flambées par jour par exemple, cela signifie qu'en faisant deux flambées par jour le poêle va dégager une chaleur moyenne de 8000W sur une période de 24h. Cela correspond à une énergie totale libérée de 192 kWh.

C'est l'équivalent de huit radiateurs électriques à bain d'huile de 1000W chacun fonctionnant simultanément tout au long de la journée.

Si par contre on ne fait plus qu'une flambée par jour au lieu de deux, le poêle de masse dégagera 4000W en moyenne sur une période de 24h.

Si, par grand froid, on passe à trois flambées par jour au lieu de deux, le poêle de masse dégagera 12000W en moyenne sur une période de 24h.

À gauche, radiateur à bain d'huile de 1000W ; à droite, poêle de masse dégageant 8600W avec deux flambées par jour.
Photo du radiateur par Ashley Pomeroy, CC BY 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=50634848

On ne mesure pas la puissance des poêles en fonte de la même manière parce que les poêles en fonte sont faits pour brûler toute la journée (et la nuit, parfois..). Ainsi, à puissance équivalente, les poêles de masse sont beaucoup plus imposants. C'est qu'ils portent bien leur nom et qu'il faut bien mettre cette "masse" quelque part !

Avertissements

Les limites de la méthode :

Premièrement, La méthode proposée ici est suffisante pour dimensionner les poêles de masse parce qu'il suffit de surdimensionner les poêles. Par contre, elle reste grossière (on ne prend pas en compte les apports solaires par exemple) et un bureau d'étude pourrait obtenir des résultats beaucoup plus précis. Néanmoins, les poêles de masse, à la différence des poêles en fonte traditionnels, peuvent être surdimensionnés sans aucun problème de rendement.

En effet, un poêle en fonte surdimensionné va devoir brûler au ralenti la très grande majorité du temps pour ne pas surchauffer l'habitation. Or, au ralenti les rendements chutent, la pollution s'envole et les conduites s'encrassent.

Avec les poêles de masse cette situation n'arrive jamais car la flambée est toujours vive. On régule la restitution de chaleur en espaçant plus ou moins les flambées :

  • Par temps d'hiver normal deux flambées par jour suffisent;
  • En automne une flambée tous les deux jours peut aussi suffire;
  • Lors de froids plus intenses on passe à trois flambées par jour ou plus.

    Au delà de 3 ou 4 flambées par jour on atteint la limite de restitution de chaleur pour un poêle de masse. Il n'arrive plus a récupérer la chaleur et les rendements diminuent. Le poêle surchauffe et s'abime.

Les limites des poêles de masse :

Deuxièmement, les poêles de masse ne sont pas adaptés à toutes les situations ! Si votre maison est une passoire, vous n'arriverez jamais à la chauffer sans surchauffer et abimer votre poêle de masse. La limite haute correspond à des déperditions de 8 kW. Au delà, changer de type de chauffage ou changez de stratégie. Par exemple, est-ce que toute la maison a besoin d'être chauffée ? Ne pourrait-il pas n'y avoir qu'une ou deux pièces chaudes ?

La puissance des Rocket Stoves

Les Batchrockets ont été développés pour chauffer des volumes plus importants ou moins bien isolés en gardant les caractéristiques de rendement des Rocket Stoves.

Il faut réaliser que le Rocket Stove le plus puissant (celui de 200 mm de diamètre) a seulement une puissance d'environ 1,5 kW en considérant 2h de flambée par jour.
D'autre part, comme expliqué dans l'article Le Batchrocket > Les limites du Rocket stove, les Batchrockets sont environ 3,5 fois plus puissants que les Rocket Stoves à diamètre de cheminée interne équivalent.

Cela ne signifie pas que les Rocket Stoves ne doivent pas être utilisés, mais qu'il ne faut en construire que pour des petits volumes ou des maisons très bien isolées. Il est aussi impératif de prévoir un clapet d'obstruction juste avant la cheminée d'évacuation et un autre clapet pour fermer le foyer après la flambée.

Références

  1. CEREMA, Synthèse bibliographique des études sur la rénovation thermique du bâti ancien à l’aide de matériaux biosourcés, Octobre 2016. www.cohesion-territoires.gouv.fr/IMG/pdf/synthese_bibliographique_renovation_thermique_du_bati_ancien_avec_isolants_biosources_-_octobre_2016.pdf
  2. Norbert Senf, MHA Short Course on Masonry Heating Systems. http://heatkit.com/docs/V8n1.PDF