Théorie des conduitsDifférents paramètres interviennent dans la vitesse des gaz, parmi lesquels les quatre principaux sont :

  * Hauteur du conduit : Celui-ci est pris entre la souche (sortie des gaz à l’extérieur) et la sortie de l’avaloir.

* Section du conduit (S2).

* Section des ouvertures de la pièce vers l’extérieur (Si) ou arrivée d’air frais.

* Température des gaz dans le conduit.

 

L’air chaud créé par la combustion du feu pénètre dans le conduit. Il est continuellement évacué et renouvelé par le seul fait que sa densité soit

inférieure à la densité de l’air extérieur. C’est le principe de fonctionnement d’un conduit de fumée.

 

Conduit de fumée et tirage

Le conduit de fumée assure le tirage de la cheminée (vitesse d’aspiration des gaz brûlés).

Le tirage sera fonction de la section et de la hauteur du conduit. Le conduit fonctionne comme une pompe ne comportant ni moteur ni hélice. Il utilise le

principe selon lequel les gaz intérieurs au conduit sont moins denses que les gaz extérieurs à la maison. Plus ce gaz est chaud (donc léger) plus le

conduit de fumée évacue facilement.

Il est en général préférable d’avoir un petit conduit de grande hauteur plutôt qu’un grand conduit de faible hauteur. En effet, dans ce cas la vitesse des

gaz chauds est supérieure, ce qui rend la cheminée moins sensible aux conditions atmosphériques. En revanche l’encrassement des conduits sera plus

rapide et les ramonages plus fréquents.

Attention aux conduits trop courts. La hauteur de 3,50 m à 4 m est un minimum pour un conduit de cheminée à feu ouvert. Si la hauteur est insuffisante

il est possible de gagner 50cm en surélevant la souche.

 

Prise d’air frais

Les arrivées d’air constituent un paramètre très important pour le bon fonctionnement de la cheminée. La surface totale de ces arrivées d’air frais

intervient au même titre que la section du conduit.

Prenons l’exemple d’une cheminée ayant un conduit de fumée d’une section de 20 x 20 cm et d’une hauteur de 6 m. Prenons comme hypothèse que la

section d’air frais est égale à celle du conduit de fumée.

Avec une température de 550 à la sortie du foyer, on a une vitesse des gaz à l’intérieur du conduit de 4,50 correspondant à un débit de 180 l/s à

l’intérieur du conduit.

Ce débit correspond à celui des gaz qui quittent la pièce. Il est relativement important, car à ce rythme la cheminée consomme 65 m3 en 6 min soit le

volume total d’air de la pièce. Sans arrivée d’air frais, la cheminée ne pourrait plus tirer au bout de 6 min.

Ce qui compte pour un tirage efficace, ce n’est pas la valeur absolue de la section de la prise d’air mais le rapport de cette section à celle du conduit de

fumée. Plus celui-ci est grand, plus la prise d’air devra être importante.

S1/S2 = 1

Pour que le tirage soit efficace, il faut que le rapport S1/S2 (section de la prise d’air extérieure sur la section du conduit de fumée), soit de l’ordre de 1.

C’est le rapport optimal où le débit passant par la cheminée est égal à 80 % du débit maximum possible.

Si ce rapport est égal à 1/4 il est insuffisant, car le débit passant dans la cheminée est réduit à 40% du débit maximal.

Si l’on constate une amélioration du tirage lorsqu’une fenêtre est entrouverte, c’est que les dimensions des arrivées d’air frais sont insuffisantes.

 

Emplacement de la prise d’air frais

L’ouverture de la prise d’air extérieure doit se trouver du côté surpressionnaire, ce qui permettra d’aviver le foyer tout en contribuant à l’amélioration du

tirage.

Si la prise d’air se trouvait placée dans la zone dépressionnaire, une inversion du tirage pourrait se produire. S’il s’avère impossible de puiser l’air à

l’extérieur (quelle qu’en soit la cause), il pourra être prélevé soit dans un vide sanitaire, soit dans un sous-sol ventilé, à condition bien évidemment que

ce dernier ne serve ni de garage ni d’entrepôt pour des produits inflammables.

 

Les vents dominants

En règle générale la souche se place sur le versant de toiture situé sous le vent. En effet, le versant au vent est en surpression tandis que le versant

sous le vent est en dépression, ce qui favorise le tirage. Le problème des vents dominants reste cependant un problème difficile à maîtriser. En effet,

toutes les régions n’ont pas la chance d’avoir un seul vent dominant. La plupart des régions en ont deux, parfois trois.

 

Direction des vents

La direction principale des vents ainsi que leurs forces moyennes selon les saisons ont été déterminées par l’Office national météorologique. Celui-ci

s’est fondé sur des observations rapprochées poursuivies depuis plusieurs années dans ses 21 stations régionales.

 

Les conditions topographiques locales peuvent évidemment modifier les prévisions générales. Des élévations ou des dépressions de terrain ainsi que

des zones boisées sont souvent la cause de variations importantes. Dans tous les cas, il est important de se renseigner auprès des habitants du lieu de

la construction. La position du faîtage qui favorise un bon tirage est celle perpendiculaire à la direction des vents dominants.

 

Emplacement de la souche

Après le franchissement du faîtage de la maison, il se produit une zone dépressionnaire à l’intérieur de laquelle sera placé le conduit de fumée. Les gaz

de combustion auront une dispersion plus facile dans l’atmosphère. Les turbulences s’avéreraient gênantes pour la dispersion des gaz si la souche était

située dans la zone de surpression. En cas de vent violent les gaz risquent d’être refoulés dans le conduit.

 

Isolation

Afin d’éviter un trop grand refroidissement des fumées, ce qui créerait une perturbation du tirage, le conduit de fumée et plus particulièrement la souche

doivent être très bien isolés.

Les risques de bistrage ainsi que les condensations seront réduits par une isolation dans la traversée des combles.

Le fonctionnement d'une cheminée Notion de tirage Régulateur de tirage

Notion de tirageLorsqu'un gaz est chauffé, il se dilate. Une même masse de gaz aura donc un volume plus grand si elle est plus chaude ou un même volume de gaz sera plus léger s'il est plus chaud

Par exemple, la masse volumique de l'air (à la pression atmosphérique) est de 1,293 kg/m³ à 20°C, celle des gaz de combustion à 200°C est de 0,760 kg/m³.

Les gaz légers auront donc tendance à monter s'ils sont immergés dans un gaz plus lourd.

Ceci signifie que plus la différence de température entre les gaz chauds dans la cheminée et l'air extérieur est grande, plus les gaz ont tendance à monter.

Une cheminée fonctionne donc mieux en hiver qu'en mi-saison ou qu'en été (si la chaudière est utilisée pour la production d'eau chaude sanitaire).

Plus la colonne de gaz chaud est haute, plus le tirage est important.

Si on ferme avec une plaque les extrémités hautes et basses de la cheminée remplie de gaz chaud et que l'on mesure la pression dans le conduit, on constatera que le couvercle supérieur est soumis à une certaine pression et que cette pression décroit quand on descend dans la cheminée pour devenir nulle au niveau de la plaque inférieure.

Si on enlève la plaque supérieure, la pression au sommet de la cheminée devient subitement égale à la pression atmosphérique et comme la pression décroit le long du conduit une dépression s'exerce sur la plaque inférieure.

Si on ouvre la bas de la cheminée, tout en maintenant la température dans le conduit, la colonne de gaz chaud montera de plus en plus vite pour atteindre un maximum et sa vitesse ne changera plus.

La dépression créée ou tirage de la cheminée est calculée par :

ΔPch = g x h x (ρair - ρgaz)

où,

ΔPch = tirage de la cheminée [Pa] g ≈ 9,81 m/s² = accélération de la pesanteur [m/s²] h = fauteur de la cheminée [m] ρair et ρgaz = masses volumiques de l'air à la température extérieure et des fumées [kg/m³]

Donc plus la cheminée est haute et plus les fumées sont chaudes, plus le tirage est important.

Régulateur de tirageLe tirage dans la cheminée est fonction de sa hauteur et de la différence de température entre l'air extérieur et les fumées. Cette dernière est variable en fonction de la saison.

La pression différentielle au niveau du raccordement de la chaudière et donc au niveau du brûleur varie donc. Comme presqu'aucun brûleur pulsé (gaz ou fuel) n'adapte la vitesse de son ventilateur en conséquence, l'amenée d'air comburant est donc influencée par les conditions atmosphériques. Il en va de même pour l'échange de chaleur dans la chaudière (les fumées sortent plus vite et plus chaudes de la chaudière) et donc pour le rendement de combustion.

Le rôle du régulateur de tirage est de compenser cette fluctuation. Il peut être motorisé ou non motorisé. Dans ce deuxième cas, il est composé d'un clapet circulaire ou carré placé sur un axe excentrique. Un contre-poids réglable permet d'ajuster l'ouverture en fonction de la dépression.

Régulateur de tirage.

Si le tirage augmente (entraînant une perte de rendement de combustion), le régulateur de tirage s'ouvre et mélange les fumées avec de l'air de la chaufferie. Le volume de gaz aspiré par la cheminée augmente et la température diminue. Il y a donc moins de tirage.

Le tirage reste ainsi quasiment constant au niveau du raccordement de la chaudière.

Sécurité[modifier | modifier le code]

Embrasement d'une robe - Angleterre.

Tant au niveau de la conception et entretien du conduit que de la disposition et usage du foyer, les cheminées présentent différents risques majeurs pour les habitants et le bâtiment :asphyxie, incendie etbrûluresnote 6 plus ou moins graves. C'est pourquoi des normes strictes s'appliquent pour la fabrication et l'installation de conduits et d'appareils de chauffage au bois.

En plus du respect des normes en vigueur, les installations doivent être conçues pour éviter les pièges à calories qui, faute d'une ventilation suffisante autour du conduit, sont également des causes d'incendies4.

Conduits de fumée collectifs à tirage naturel   2013/04.12

Pour limiter l'encombrement dans les immeubles d'appartements, les générateurs de chaleur sont fréquemment raccordés à un conduit collectif d'évacuation de la fumée. Les systèmes intégrés (CLV (*), par exemple) constituent la référence actuelle. Ils comprennent des appareils étanches à condensation raccordés à un conduit spécifiquement conçu et dimensionné pour le nombre et le type d'appareils. Auparavant, des conduits en tirage naturel, moins fiables et ne permettant pas le raccordement d'appareils modernes, étaient utilisés. Ce dernier type de conduit peut poser problème lors du remplacement des générateurs de chaleur.Les générateurs de chaleur raccordés à des conduits collectifs fonctionnant en tirage naturel étaient de type atmosphérique. Le raccordement était réalisé au moyen d'un conduit individuel d'une hauteur d'étage, intégré dans le conduit collectif. Dans les années 50, le nombre d'appareils pouvant être raccordés était illimité. Pour prévenir le risque de refoulement et d'intoxication au CO, les exigences se sont progressivement renforcées et ce nombre est actuellement limité à cinq pour des conduits existants. De plus, ces conduits ne sont pas adaptés aux exigences modernes de confort (refroidissement de l'immeuble via le tirage permanent) et d'efficacité énergétique (les appareils modernes à condensation sont interdits). Dès lors, ils ne sont plus installés dans les constructions neuves et sont progressivement abandonnés ou modernisés dans les bâtiments existants. Pourtant, des anciens conduits de fumée desservant plus de dix générateurs de chaleur se rencontrent toujours dans de grands immeubles d'appartements.

La solution la plus simple consiste à remplacer un appareil raccordé au conduit collectif par un appareil étanche à ventouse raccordé en façade (voir Les Dossiers du CSTC   2012/4.15 ). La configuration de l'immeuble (présence d'ouvertures à proximité de la ventouse), le nombre d'appareils à remplacer et certaines prescriptions urbanistiques peuvent la rendre irréalisable. Le conduit collectif peut également être modernisé (remplacement par un conduit collectif de type CLV, tubages individuels, …), mais cela nécessite des travaux importants, le remplacement simultané de tous les appareils et l'accord de l'ensemble des propriétaires. Si un tel accord ne peut être trouvé, il convient de proposer d'autres solutions.

Dans ce cas, un groupe d'extraction mécanique placé sur l'émergence de la cheminée permet d'assurer l'évacuation de la fumée et de sécuriser le fonctionnement des générateurs de chaleur dans un délai raisonnable. Des appareils à haut rendement peuvent être raccordés sans risque de perturber le tirage. Les appareils à condensation sont déconseillés, sous peine d'endommager le conduit maçonné du fait du risque élevé de condensation interne. Cette solution ne permet donc qu'une amélioration limitée des performances des appareils et présente de nombreux

inconvénients. Elle ne devrait être mise en œuvre qu'après avoir rigoureusement étudié et rejeté les autres possibilités.

Extraction mécanique : principe de fonctionnement

Un ventilateur est placé au sommet du conduit collectif et assure l'évacuation de la fumée provenant de l'ensemble des générateurs de chaleur par mise en dépression du conduit collectif sur toute sa hauteur. Les débits d'extraction vers chaque appareil doivent être équilibrés à l'aide de diaphragmes et un dispositif de sécurité doit asservir le fonctionnement des générateurs de chaleur à celui du ventilateur d'extraction. Les ouvertures d'amenée d'air comburant, indispensables au fonctionnement des appareils, contribuent également à la qualité du tirage. Le dimensionnement et la mise en œuvre d'un tel système nécessitent des compétences très pointues. Un exemple est proposé dans la version intégrale de cet article. Un mauvais dimensionnement peut entraîner des débits d'extraction trop importants et un refroidissement excessif de l'immeuble, une mauvaise répartition des débits dans les appartements et des mises en marche intempestives du dispositif de sécurité (arrêt des générateurs). Il peut donc avoir une incidence sur le confort et la sécurité des occupants.

Une inspection préalable du conduit collectif et un essai de mise en dépression sont fortement recommandés afin de vérifier la faisabilité d'un tel projet.

1. Conduit de fumée collectif2. Conduit individuel3. Appareil atmosphérique de type ouvert4. Conduit de raccordement5. Dispositif intégré d'amenée d'air et

d'évacuation de la fumée6. Appareil de type étanche

Conduit collectif à tirage naturel (à gauche) et conduit collectif de type CLV (à droite)