Poêle de masse

Un poêle de masse ou poêle à accumulation est un appareil de chauffage qui compte sur des matériaux lourds (pierre, brique, béton) pour accumuler l'énergie d'une flambée rapide et intense (environ 2 h) et restituer longuement la chaleur une fois le feu éteint (jusqu'à plus de 24 h).

La diffusion de chaleur se fait notamment par rayonnement infrarouge. Les poêles à accumulation disposent également d'un circuit d'échange (canaux ou chicanes) permettant de récupérer la chaleur des fumées avant leur évacuation par le conduit.

Poële de masse, Maison Hoecker, Pologne, 1880

Une autre particularité de cette technique est la combustion à très haut rendement réel (entre 80 et 87 % du PCI - pouvoir calorifique inférieur du bois), ou post-combustion, réduisant les émissions de monoxyde de carbone, particules fines et autres polluants habituellement générés par la combustion au bois.

Les poêles à accumulation préfabriqués doivent désormais répondre à la norme spécifique EN 15250, caractérisant les "appareils de chauffage domestique à combustible solide et à libération lente de chaleur", ce qui les distingue des autres appareils de combustion au bois.

Il existe néanmoins des artisans réalisant des poêles sur mesure sans éléments préfabriqués (hormis les portes et les briques)..

Historique

Poële en céramique, Musée Alexander Pushkin, Vilnius

Employé depuis la nuit des temps, ce principe de chauffage est aussi appelé poêle à inertie. Si l'un de ses ancêtres est l'hypocauste des Romains, il évolue à travers les poêles russes, autrichiens, suédois ou encore plus récemment le poêle alsacien en faïence… Partout la même recherche : chauffer mieux en consommant moins de bois (qui venait à manquer vers le XVIII^e siècle).

Depuis les années 1980, plusieurs modèles sont développés en Finlande sous l'égide du Finlandais Heikki Hyytiainen, ainsi qu'au Danemark (avec des tests de l'institut technologique du Danemark, administration équivalent du CSTB) et au Canada où des organisations de constructeurs réalisent régulièrement des tests afin de faire évoluer l'efficacité du système. À l'inverse des Russes, des Autrichiens ou des Suédois, les Finlandais n'ont jamais cessé d'utiliser le chauffage par poêle de masse même quand le pétrole était bon marché. Cette utilisation ininterrompue a permis d'engendrer beaucoup d'expérience.

En raison de ses multiples avantages, tels que le confort de sa chaleur par rayonnement ou l'économie importante de combustible, et poussé par le vent de l'écologie, ce système de chauffage se répand désormais même sous des latitudes où le climat est plus clément.

Principe

Le principe du poêle de masse est de stocker dans la masse qui le constitue l'énergie d'une flambée afin de la restituer régulièrement et progressivement sur une longue durée. Généralement, une flambée d'une à deux heures permet de chauffer pendant vingt deux heures environ, ce qui permet à son utilisateur de ne faire qu'une flambée par jour.

Selon la masse du poêle, les flambées sont plus nombreuses et réparties en deux ou trois fois par jour. Plus la masse est faible, plus le nombre de flambée sera important.

Pour accroître l'efficacité de la flambée, le poêle de masse utilise le principe de la post-combustion.

Ce principe vise à obtenir dans la première chambre de combustion une température suffisamment élevée des gaz émis par la flambée pour déclencher leur combustion dans une deuxième chambre. La température alors obtenue est de l'ordre des 1 000 °C.

Pour pouvoir enflammer la créosote produite par la première combustion incomplète, il est nécessaire d'obtenir dans la première chambre une température de l'ordre de 600 °C qui ne peut être obtenue que dans un foyer fermé. Il est aussi nécessaire d'apporter un complément d'oxygène qui sera fourni soit par un excédent d'air primaire (air arrivant dans la première chambre de combustion), soit par une arrivée d'air dite secondaire (injecté entre les deux chambres ou quelques fois dans le haut de la première).

Un dernier stratagème consiste à favoriser le mélange des fumées avec cet apport de comburant soit par la création d'un tourbillon, soit par le brassage de l'ensemble grâce à des obstacles étudiés à cet effet.

Le combustible a son importance aussi pour arriver à une combustion complète. Non pas par sa qualité mais par sa teneur en eau qui ne devra pas excéder 15 à 20% de son poids. L'essence du bois importe peu, c'est l'humidité qui doit être la plus faible possible.

Une fois que des températures élevées sont obtenues, il serait dommage de perdre toute cette énergie en rejetant directement les fumées dans le conduit de cheminée. Aussi le poêle de masse est-il construit de manière à faire descendre ce flux de part et d'autre des deux chambres de combustion sur environ 2 mètres. Cette distance permet de diffuser la chaleur dans la masse par conductivité et ainsi de faire passer les gaz de 1 000 °C à 80 °C avant de les laisser s'échapper dans la cheminée.

En résumé : Une flambée vive avec un apport d'air suffisant et un combustible bien sec permet d'obtenir un maximum de chaleur qui sera emprisonnée dans le corps même du poêle. Il en résulte des dégagements très peu polluants et une production de cendres minime (de l'ordre d'un seau par mois pour une utilisation journalière).

Avantages : Les avantages sont multiples, allant du point de vue écologique au point de vue sanitaire. La chaleur dégagée par le poêle de masse est principalement rayonnante (souvent comparée à l'action du soleil) apportant un confort rapide et homogène. Ce mode de propagation évite aussi le brassage des poussières par une masse d'air chauffée par convection. À titre d'exemple, la consommation de bois est réduite à six stères de bois par saison de chauffe pour 150 m² pour un climat tempéré. Les émanations ne sont plus chargées de particules nocives et polluantes grâce à une combustion plus complète, ce qui fait de ce système de chauffage l'un des plus propres et performants qui soit.

Inconvénients : Le principal inconvénient pendant de nombreuses années provenait de la force de ce type d'appareil : l'inertie. Cela est toujours valable pour certains types de poêles de masse (poêles à double peau externe). Le temps de chauffer l'ensemble du poêle est proportionnel à sa masse. Pour ne pas endommager l'appareil, la montée en température doit être faite par feux graduels. Toute absence prolongée durant la période hivernale obligera donc à réchauffer progressivement l'appareil. Cela prend en général entre 36 et 48 heures durant lesquelles la température augmente graduellement. Tous ces inconvénients sont fortement réduits avec la famille des poêles à simple peau, qui montent en chauffe plus rapidement et qui sont plus flexibles à l'usage.

Familles

Il existe plusieurs familles de poêles de masse. Le circuit des fumées détermine cette famille.

• Le finlandais : Composé d'un foyer principal, d'un goulet d'étranglement donnant sur une seconde chambre de combustion/détente, les gaz sont d'abord mis sous pression et butant sur la dalle de fermeture du haut, ils sont forcés de redescendre dans les canaux de fumée jusqu'en bas du poêle. Ce faisant, les gaz perdent petit à petit leur chaleur qui est transmise aux murs latéraux. Cette circulation « anormale » des gaz vers le bas a donné le nom de poêle de masse à contre courant (contraflow). La particularité de ces poêles est leur connexion au conduit de cheminée au point le plus bas et le moins chaud du poêle. Un avantage pour la pérennité de la connexion.
• Le suédois : Composé de plusieurs chicanes verticales forçant les gaz à descendre et à monter, a inspiré les finlandais. Cela dit, le dessin suédois n'a jamais été aussi abouti que le schéma finlandais. Une des raisons étant que les Suédois ont abandonné le chauffage au bois quand le pétrole était bon marché.
• Le russe/l'autrichien : Généralement assez massif; les chicanes sont plutôt horizontales. Ce dessin permet des bancs chauffants de grande longueur sur lesquels les gens dormaient.
• Les Stenovne danois : issues d'une longue tradition danoise, abandonnés un temps, ils sont revenus grâce à la médiatisation des poêles finlandais dans les années 1980 ; la grande différence réside dans le fait qu'ils sont maçonnés avec une simple peau externe, cela leur confère une plus grande rapidité de mise en chauffe, tout en gardant des courbes de températures permettant une variation de +- 1 °C dans la maison sur un cycle de 24 heures avec une flambée ; ils sont le fruit des recherches de Lars Helbro depuis 1989. de plus cette technique de simple peau, associée à différents modèles de foyer leur permet de faire des poêles beaucoup moins volumineux, et aussi de faire varier les formes des poêles pour mieux les adapter à la maison, ainsi qu'aux goûts des habitants...

Matériaux

Les matériaux utilisés peuvent être de plusieurs sortes : briques réfractaires haute densité, briques réfractaires courantes, briques simples, briques de terre crue (BTC), terre, argile et toute la gamme des pierres (suivant les régions grès, granit, stéatite, etc.). Les pierres volcaniques sont privilégiées, car plus à même d'encaisser les chocs thermiques répétitifs.

Pour l'emploi de ces divers matériaux, il est nécessaire de distinguer les différentes zones du poêle de masse.

Du foyer principal (600 °C), jusqu'au début des conduits de fumées descendantes (1 000 °C), il est important de choisir une matière résistant à de telles températures, mais aussi ayant la capacité de résister aux chocs thermiques répétitifs.

Dans la plupart des constructions actuelles la brique réfractaire haute densité (avec un taux d'alumine compris entre 25 et 40%) est utilisée pour le compromis qu'elle offre face au couple température / choc thermique. De plus sa capacité de chaleur massique permet une première accumulation de l'énergie produite. L'épaisseur des parois est de l'ordre de 12 cm, constituée soit d'une rangée unique de briques scellées à plat, soit de deux rangées de briques scellées sur la tranche.

Du milieu des conduits de fumées descendantes jusqu'à la sortie des gaz, toute matière réfractaire ou résistant à des températures allant jusqu'à 600 °C peut être utilisée.

Pour l'habillage (parois construites autour du cœur de chauffe), les matériaux sont le plus souvent choisis sur des critères esthétiques. Il convient cependant de ne pas multiplier les couches pour une meilleure homogénéité dans la répartition de la chaleur. Un des critères est aussi la masse volumique du matériau utilisé car il participe au complément de la masse totale et donc au temps de 'décharge' du poêle. Cette couche fait habituellement 12 cm de large. L'important est que cette couche en contact avec l'air de la pièce, permette un échange de température par rayonnement (choix de la matière et de la couleur) et que la paroi passe de 60 °C en fin de flambée à 40 °C avant la flambée suivante. Soit une perte régulière d'un degré par heure environ pour un poêle à rechargement journalier.

Construction

La dalle de départ

Le support de ce genre de poêle n'est pas à prendre à la légère au vu des masses considérées (de 1 à 6 tonnes suivant le modèle). Il doit entre autres supporter la chaleur générée par l'ensemble et permettre les accès d'air primaire dans certaines configurations. Un mortier réfractaire à base de ciment réfractaire et d'adjuvants adaptés (vermiculite par exemple…).

-Sur la dalle de départ une isolation thermique est mise en place 10 à 20 cm de béton cellulaire.

Jonction des conduits de fumées

Une fois redescendues au niveau de la dalle, les fumées se rejoignent juste avant le conduit de cheminée final et sont alors entre 100 et 200 °C (selon les performances du poêle ; à ce sujet la températures des fumées en bas de cheminée est un bon indicateur des performances de tout appareil de chauffage, plus le poêle est efficace, plus la température de fumée est faible) . À ce niveau un premier socle qui peut être réalisé en briques ordinaires, sert de boîte à cendre et organise l'arrivée de l'air primaire. C'est à cet endroit aussi que l'on place un clapet permettant le réglage du tirage.

Foyer primaire

Le foyer primaire est lui construit en brique réfractaire mais certains proposent un foyer préfabriqué en béton réfractaire. Il doit comporter une grille basse suffisamment grande pour que l'ensemble de la charge de bois puisse brûler uniformément et rapidement. Une à deux heures maximum pour 30 kg de bois. Il fait en moyenne 50 cm de large pour 60 cm de profondeur et 50 cm de haut.

Sur les côtés du foyer en partie haute, des injecteurs d'air secondaire sont réalisés (le plus souvent en une pièce moulée en béton réfractaire)

Ses 0,15 m³ sont surplombés d'un goulet (rétrécissement) permettant une accélération des fumées vers le foyer secondaire.

Foyer secondaire

Foyer souvent invisible de l’extérieur, permettant la "post-combustion" des gaz.

Conduits latéraux

Dans les conduits latéraux les fumées redescendent vers la base du poêle pour se diriger vers le banc chauffant.

Le banc (optionnel)

Les fumées passent alors dans des conduits horizontaux intégrés dans un banc maçonné. -Il est possible d'avoir un by-pass, celui-ci permet de faciliter le démarrage à froid du poêle. Lorsque les températures du conduit d'échappement sont à 200°C, il est possible de refermer le by-pass et la récupération d'énergie en est améliorée.

Four (optionnel)

Un four pour faire cuire les aliments peut être ajouté. Il est inséré entre la sortie du goulet d'étranglement et la chambre secondaire. Il existe deux types de fours : le four "noir" ou le four "blanc". Ils permettent des cuissons longues dites "à l'étouffée"

• Le four noir permet de faire un feu dedans à la manière d'un four à pizza. Les fumées sont évacuées par la chambre secondaire. La combustion y est donc moins propre mais permet d'obtenir des températures élevées lorsqu'on le souhaite. Par conséquence, lorsqu'un feu est réalisé dans le foyer, les fumées envahissent le four noir, empêchant toute cuisine pendant la flambée principale. Le foyer peut être utilisé comme un four noir. Par les hautes températures qui y règne, pizzas, pain, tajines peuvent y être cuits. Il est quasiment obligatoire d'arrêter le feu dans le foyer pendant la cuisson.

• Le four blanc est hermétique. Les fumées en sortie de goulet passent au-dessus et en dessous via une dalle qui chauffe le four à des températures de l'ordre de 250 °C en fin de flambée. La cuisson est donc possible à n'importe quel moment. Les températures sont inférieures à celle du foyer. On y privilégie donc les cuissons lentes pour des plats de type poissons, viande, tajine, haricots, lentilles etc. Mais aussi le pain, gâteaux, gratin pour des cuissons juste après la flambé.

L’habillage

Le cœur et l’habillage n’ont pas les mêmes températures. Ils ont donc des différences de taille liées à la dilatation des matériaux. L'habillage est donc entièrement séparé du cœur soit par de la laine minérale ou bien un simple carton de 5 mm environ. Ce joint désolidarise le cœur pour créer un espace de dilatation.

Les matériaux les plus utilisés sont les briques, le granit, la stéatite. Ces éléments sont liés par un mortier bâtard (1 volume de ciment pour 1 volume de chaux pour 6 volumes de sable). l'utilisation d'un mortier d'argile est cependant la plus traditionnelle et celle procurant le mortier le plus souple et procurant le moins de fissuration, (voir aucun fissuration si le mélange est correct)..

Bibliographie

• The Finnish Fireplace Construction Manual, de Heikki Hyytiainen et Albert Barden
• Poêle à accumulation, le meilleur du chauffage au bois, de Vital Bies et Marie Milesi, aux éditions Terre Vivante, avril 2010
• Manuel pour l’Autoconstruction d’un Poêle de Masse par Éditions de La Chauffe-Souris, juillet 2008

Liens externes

• Théorie appliquée au poêles de masse
• Blog et Forum de discussions sur le Poêle de masse
• Thermas: Fonctionnement d'un poêle de masse
• feudebois : exemples de poêles et de cuisinières de masse de conception danoise Helbro
• Terre Et Flammes: Réalisation
• Cœur de Foyer: Quincaillerie, Matériaux et Accessoires pour poêles de masse

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