FONCTIONNEMENT → TECHNIQUE
Fonctionnement
Le poêle de masse thermique fonctionne selon le même principe qu’un chauffage solaire passif ou radiant. Tout comme le soleil, le foyer de masse émet des rayonnements.
Dans le cas du foyer de masse, celui-ci se situe dans le spectre des infrarouges à ondes longues. Ce type de radiation ne chauffe pas l’air, mais réchauffe les objets qui, à leur tour, irradient leur propre chaleur. La masse de matériaux (briques ou pierres) dont le foyer est construit absorbe presque totalement la chaleur produite dans l’âtre par le combustible et la dégage petit à petit à l’extérieur.
Le temps nécessaire pour une combustion complète est d’environ une heure. Les flammes produites dans l’âtre parcourent un système de conduits qui serpentent à l’intérieur de toute la masse, avant de laisser les fumées épurées s’échapper par la cheminée, permettant ainsi à la chaleur contenue dans les gaz de combustion d’être absorbée par le matériau réfractaire. Quatre heures plus tard, la chaleur commence à être irradiée dans la maison, ce qui donne une température stable et confortable pendant les 24, 36 ou 48 heures qui suivent.
Le poêle de masse de type finlandais est composé d’un foyer principal, d’un goulet d’étranglement donnant sur une deuxième chambre de combustion.
Les gaz sont mis sous pression en butant sur cette dalle et sont forcés de redescendre dans les canaux de fumée, jusqu’en bas du poêle. Les gaz perdent donc leur chaleur en la transmettant au réfractaire.
Cette circulation des gaz, non naturelle, a donné le principe du poêle de masse à contre courant (contratflow). La particularité de ces poêles est leur connexion au conduit de cheminée au point le plus bas et le moins chaud du poêle.
Une technique naît
La naissance du principe du foyer finlandais tel qu’on l’entend aujourd’hui date du 18e siècle, sous le règne du roi de Suède Gustave III. Le roi a confié à deux concepteurs de talent, F. Wrede et C.J. Cronstedt, la tâche de redessiner le vieux foyer en tuile de céramique d’Europe centrale appelé « Kachelofen » afin de le rendre plus efficace. Après quelques années de travail, soit de 1767 à 1775, les deux constructeurs sont parvenus à réduire de 20 % la consommation de bois des foyers de l’époque grâce à un concept que l’on estime être l’ancêtre direct du foyer de masse.
Les Finlandais décident de travailler cette nouvelle conception et donnent naissance au principe de « contraflow ». Le « contraflow » finlandais est aujourd’hui le plus répandu des foyers de masse thermique.
Il a été l’objet d’un important effort de perfectionnement technique au cours du XXe siècle afin d’optimiser sa performance, notamment dans les universités de la Finlande, avec un appui des gouvernements qui ont encouragé la recherche mais aussi sa diffusion au moyen, entre autres, d’aides fiscales aux propriétaires de résidences. Il y a trente ans, il fait son entrée en Amérique du nord en bénéficiant encore d’évolutions techniques et environnementales.
Notre poêle de masse a été testé au CSTB, Centre Scientifique et Technique du bâtiment.
Comment fonctionne un foyer de masse thermique et pourquoi ce type de chauffage au bois est écologique
Contrairement aux poêles à combustion lente et ses dérivés, le fonctionnement des foyers de masse repose sur la production de feux intenses sur une période relativement courte, c’est-à-dire environ une heure à une heure et demie. L’apport d’une quantité d’air suffisante dans une première chambre de combustion crée les conditions favorables à l’élévation des températures. Puis, l’expulsion des gaz vers l’extérieur est retardée grâce à la présence d’une seconde chambre et de longs conduits en maçonnerie, ce qui provoque une hausse de la température à plus de 1000°C, température à laquelle, comme il a été dit plus haut, la combustion des gaz est complète et la pollution pratiquement nulle.
Avec un Foyer Radiant Debriel, les gaz émis par le bois et relâchés dans la nature sont en très faibles quantités (0.9g/heure), ils sont brûlés et leur énergie est stockée dans le foyer.
Les modèles de poêle les plus performants certifiés par l’EPA (Environnement Protection of America) émettent 7g/heure de matière toxique.
On peut se demander peut-être pourquoi ce principe de combustion à température élevée n’a pas été appliqué aux autres types de poêles et de foyers. Autrement dit, pourquoi la « recette » serait-elle valable seulement aux foyers de masse thermique?
Dans un contexte résidentiel, l’atteinte d’une grande chaleur de combustion est un problème. Ce que l’on recherche, évidemment, ce n’est pas un système de chauffage qui provoque une surchauffe de la maison pour ensuite laisser chuter les températures dramatiquement.
Si les foyers de masse thermique peuvent hausser les températures dans leur cœur, c’est grâce à leur importante quantité de maçonnerie composée d’un matériau réfractaire (brique à feu) qui joue le rôle d’un capteur thermique. En absorbant la chaleur produite pendant la combustion du bois, la masse thermique évite l’émission rapide de chaleur intense à sa surface tout en contribuant à l’atteinte et au maintien des températures élevées au sein des chambres de combustion. D’ailleurs, la quantité de chaleur dégagée par la cheminée est relativement basse.
Par la suite, la chaleur absorbée par la masse thermique est émise lentement, soit sur une période de 12 à 24 heures. La masse thermique procure donc une grande stabilité de la température ambiante. L’effet de régulation thermique est effectif aussi pendant l’été, alors que le foyer absorbe la fraîcheur de la nuit pour jouer le rôle de climatiseur durant le jour.
Pour contourner leur très faible masse thermique, les récents poêles à combustion évolués sont dotés de systèmes destinés à rediriger les gaz imbrûlés sur la flamme afin de compléter leur combustion. Celle-ci est dorénavant beaucoup plus efficace mais cela ne résout pas le problème des hautes températures de surface qui entraînent un effet de convection.
La capacité d’emmagasinement de chaleur du cœur d’un foyer de masse doit être suffisante pour que son absorption assure une régulation de la température dans le bâtiment sur une période d’au moins douze heures, idéalement de 24 à 48 heures.
L’expérience démontre que le cœur doit être fait d’au moins 1600 kilogrammes (3500 livres) de matériau réfractaire si l’on veut que le foyer puisse servir de chauffage principal ou unique, même sous le climat rigoureux du Québec. Cet objectif est très rarement atteint dans le cadre de foyer en production industrielle, ce qui explique leur coût parfois plus faible.
Une fois le cœur réalisé, qui est en quelque sorte le « réacteur » du foyer, il reste l’habillage, c’est-à-dire le recouvrement du foyer. Le recouvrement peut être aussi divers qu’il existe de matériaux de maçonnerie et de talent pour les agencer. Si la brique est souvent utilisée, la pierre naturelle ou taillée, la céramique et les crépis donnent le plus bel effet selon l’harmonie recherchée avec le style de la résidence
L’animation ci-dessous montre en détail l’intérieur d’un foyer de masse thermique de type finlandais, le « contraflow ».
L’animation ci-dessus, est une représentation plus complète d’un foyer, incluant la cheminée un four à pain, optionnel mais très fréquemment désiré par les clients. Toutefois, elle ne comporte pas de banc chauffant dans lequel circulent les gaz avant d’accéder à la cheminée, un petit luxe que désirent se payer certains propriétaires de foyers, tout comme un système de préchauffage de l’eau, moins luxueux mais vous assurant de véritables économies.
Phase finale :
merci à « La vie en paille », blog de notre client
(1) SENF, Norbert (1996). Short Course on Masonry Heating Systems, Masonry Stove Builders/Lopez Labs, Presented at All Fuels Expo 96, Burlington, Vermont, February 2, 1996. (2) Gouvernement du Canada (2005). Chauffage au bois : Soyons responsables et en sécurité, Sa Majesté la Reine du Chef du Canada www.chauffageaubois.org, < http://burnitsmart.org/francais/materiels/fiche_securite.pdf>.
