Le Dimensionnement des Batchrockets

Plan

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 : un poêle surdimensionné en excès coûtera trop cher, sous-dimensionné il ne permettra pas de chauffer le volume à la température désirée.

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.

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

Pourquoi 80% alors que l'on affiche des rendements totaux de 95% ailleurs sur le site ? Pour prendre une "marge de sécurité" d'une part et d'autre part parce que le rendement dépend aussi de l'utilisateur. Par exemple, un utilisateur peu soigneux qui ne fermera pas les clapets d'arrivée d'air et d'obstruction après la flambée verra le rendement total de son poêle diminuer.

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.

À quoi ça correspond ?

Lorsque l'on dit qu'un poêle de masse a une puissance de 8000W 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.

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 !

La pratique

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

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

Avec \(Q\) les déperditions thermiques en W, \(G\) 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.

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
      \(G=1.2\) pour une maison isolée avec 10cm de polystyrène
      \(G=0.8\) pour une maison type RT2000 en briques Monomur de 37cm par exemple
      \(G=0.5\) pour une maison type RT2012 en paille porteuse par exemple
      \(G=0.3\) pour une isolation exceptionnelle

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. La plupart du temps, une flambée par jour suffit, mais s'il fait -5°C dehors les occupants peuvent faire 2 flambées par jour. Dans ce cas, le calcul des déperditions donne :

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

Si on regarde maintenant les déperditions du même volume mais pour une construction récente de type RT2012, on obtient :

\(Q=0.5*50*2.5*25=1600W\)

Avertissement

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.

La puissance des Batchrockets

La quantité de bois que peut brûler un Batchrocket en une flambée est dictée par le volume du foyer. 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.

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 nos deux exemples :

Pour chauffer le mas provencal avec les critères précédents, il faudrait un Batchrocket dont le diamètre de la cheminée interne mesure 230 mm. S'il fait -5°C à l'extérieur, les occupants devront brûler deux flambées soit \(2*21.6=43 kg\) de bois sec par jour pour maintenir une température intérieure supérieure à 20°C.

Si on revient sur la construction récente de type RT2012, il faut alors un Batchrocket dont le diamètre de la cheminée interne mesure 165 mm. S'il fait -5°C à l'extérieur, les occupants devront brûler deux flambées soit \(2*8.0=16 kg\) de bois sec par jour pour maintenir une température intérieure supérieure à 20°C.

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.