Les différentes possibilités de récupération de chaleur dans les systèmes de ventilation

un Aperçu des types d'échangeurs de chaleur

La ventilation est obligatoire dans les bâtiments résidentiels depuis 2006. Cela fait longtemps que les bâtiments non résidentiels doivent être équipés de systèmes de traitement de l'air mais ces dernières décennies, leurs normes de ventilation sont devenues plus strictes. Outre la fonction première des installations de ventilation, qui est d'assurer une bonne qualité de l'air, l'efficacité énergétique de l'installation devient également de plus en plus importante. C'est pourquoi on s'efforce de plus en plus de permettre la récupération de la chaleur dans les systèmes de climatisation.

contexte

Pour réaliser une récupération de chaleur avec un système de ventilation, il faut évacuer l'air vicié de manière mécanique et apporter de l'air frais, c'est-à-dire utiliser des ventilateurs. C'est pourquoi seuls les systèmes de ventilation de type D avec récupération de chaleur conviennent.

Par ailleurs, le règlement PEB récompense les systèmes capables de récupérer plus efficacement la chaleur de l'air vicié. C'est pourquoi les fabricants se concentrent de plus en plus sur l'optimisation des systèmes actuels de récupération de chaleur - en particulier sur leur efficacité - tout en examinant d'autres possibilités d'utilisation.  

L'application la plus évidente consiste à préchauffer le nouvel air frais. Pour ce faire, il faut un concept de ventilation qui amène l'air frais mécaniquement. Il s'agit du système D susmentionné, également connu sous le nom de ventilation équilibrée. C'est pourquoi les paragraphes suivants traitent principalement du système D.

Pour être complet, il convient de noter qu'en plus de la récupération de chaleur, il est possible de récupérer le froid pendant les périodes chaudes de l'année en utilisant les mêmes installations. Dans ce cas, l'air fourni par le système de ventilation est pré-refroidi. Le flux de chaleur parcourt ainsi le chemin inverse de celui effectué pour la récupération de chaleur.  

Enfin, la récupération de chaleur peut également être réalisée via d'autres applications que le chauffage du flux d'air entrant. Par conséquent, le système de ventilation C offre également des possibilités de récupération de chaleur. Plus d'informations à ce sujet dans la section sur les autres utilisations de la chaleur récupérée.

Types d'échangeurs de chaleur dans les systèmes de ventilation

Récupération de chaleur par recirculation

Le moyen le plus simple, mais aussi le moins efficace, de récupérer la chaleur consiste à réutiliser une partie de l'air évacué. Seul l'air légèrement pollué entre en ligne de compte, par exemple l'air d'une salle de réunion inutilisée ou d'un dortoir en journée.

La quantité d'air recyclé peut être réglée à l'aide d'une vanne de régulation. L'air chaud évacué est partiellement réutilisé et ajouté au flux d'air frais, qui est froid.

Les centrales de traitement d'air modernes ne seront plus équipées de possibilités de recirculation. La raison à cela est que l'air entrant arrive dans les bâtiments en étant partiellement pollué. 

L'utilisation de cet air mélangé est néfaste et peut présenter des risques pour la santé, notamment le sick building syndrome, ainsi que la propagation de particules pathogènes potentiellement présentes dans les flux d'air.

Les échangeurs de chaleur à plaques ou les échangeurs de chaleur à flux croisés sont la forme la plus courante de dispositifs de récupération de chaleur

Échangeur de chaleur à plaques

Les échangeurs de chaleur à plaques ou les échangeurs de chaleur à flux croisés sont la forme la plus courante d'échangeurs de chaleur. Les échangeurs à contre-courant appartiennent également à ce groupe et sont même légèrement plus performants que les échangeurs de chaleur à flux croisés. Dans les installations résidentielles en particulier, ce dernier groupe de systèmes de récupération de chaleur constitue donc la grande majorité.

Les deux flux d'air sont hermétiquement séparés. La construction du composant veille à ce que la surface de contact des flux d'air avec l'échangeur à plaques soit aussi grande que possible, afin que le transfert de chaleur s'effectue le plus rapidement possible.

L'efficacité des échangeurs de chaleur à plaques peut dépasser 90% dans les applications résidentielles. Dans les grands bâtiments, ce rendement est généralement inférieur, mais il arrive que deux échangeurs à flux croisés soient installés en cascade dans une unité de traitement de l'air. L'inconvénient de cette solution est l'encombrement.

Cependant, on obtient un système de ventilation avec récupération de chaleur sans risque de mélange d'air et sans pièces mobiles. La durée de vie du composant de récupération de chaleur s'en trouve améliorée et sa maintenance facilitée.

En termes de forme, les échangeurs à flux croisés sont généralement conçus comme des prismes hexagonaux. Ils sont souvent fabriqués en plastique. Certains fabricants proposent également des systèmes dotés d'un échangeur enthalpique à flux croisés. Ces types de systèmes de récupération de chaleur peuvent récupérer l'humidité de l'air vicié en plus de la chaleur.

Système à double serpentin

Le système à double serpentin est le deuxième moyen de récupérer la chaleur de l'air de ventilation. Ce système consiste à faire passer l'air évacué dans des petits tuyaux remplis d'un mélange intermédiaire liquide. Le liquide contenu dans les tuyaux se réchauffe et est ensuite pompé vers le conduit d'alimentation d'air.

Plusieurs petits tuyaux sont également présents dans ce conduit d'air. Le fluide intermédiaire y libère la chaleur qu'il a absorbée pour réchauffer le flux d'air frais.

Le fluide est un mélange d'eau et de glycol, afin d'éviter tout risque de gel en hiver ou pendant les périodes où le système de récupération de chaleur est hors service. Parfois, on prévoit une vanne de régulation à trois voies en plus du système de tubes et de la pompe pour permettre le contrôle de la température.

Dans la majorité des applications, cependant, ce n'est pas nécessaire car toute la chaleur peut être récupérée.

Ce type de récupération de chaleur diffère des autres car le réseau de tubes avec le fluide intermédiaire offre un avantage significatif. Les conduits d'air peuvent être séparés les uns des autres.

Il n'est pas nécessaire que les conduits d'évacuation d'air et d'alimentation en air soient très rapprochés. Cela élimine également le risque de mélange d'air indésirable.

Caloducs

Les caloducs sont le deuxième moyen d'activer la récupération de chaleur. Les caloducs sont des tubes droits et hermétiques qui se trouvent en partie dans le conduit d'alimentation et en partie dans le conduit d'évacuation. Les deux conduits d'air doivent donc être placés juste au-dessus ou l'un à côté de l'autre.

Les caloducs sont remplis avec un réfrigérant. Plusieurs caloducs sont montés ensemble entre les deux conduits d'air. Ils sont fixés de manière à pencher vers le conduit d'évacuation d'air. Du côté le plus bas, qui arrive dans le conduit d'évacuation d'air, le caloduc absorbe de la chaleur. Par conséquent, le fluide réfrigérant contenu dans le caloduc s'évapore et le gaz contenu dans le caloduc se déplace vers le haut.

Le point le plus haut du caloduc se trouve dans le conduit d'arrivée d'air. A cet endroit, le gaz libère sa chaleur pour se condenser à nouveau. Le caloduc perd donc sa chaleur au profit de l'air entrant et le réfrigérant dans le caloduc se liquéfie à nouveau.

Enfin, l'inclinaison du caloduc entraîne l'écoulement du fluide réfrigérant vers le bas. Le processus recommence alors.

Roue thermique 

La roue thermique est de loin la solution la plus couramment choisie pour la récupération de chaleur, en particulier dans les grands bâtiments. Le principe de base de la roue thermique consiste à placer deux canaux d'air à des températures différentes l'un à côté de l'autre ou l'un au-dessus de l'autre.

Le sens d'écoulement des deux flux d'air doit être opposé l'un à l'autre. Les deux canaux sont interrompus à un moment donné par une roue thermique commune. La moitié du diamètre de la roue se trouve dans un conduit d'air, l'autre moitié dans le conduit opposé.

Le rotor de la roue thermique tourne en permanence, transférant la chaleur du flux d'air chaud au flux d'air froid.

Le transfert de chaleur avec une roue thermique s'effectue en chauffant et en refroidissant le matériau dans lequel la roue est construite. Les roues les plus courantes sont constituées d'ailettes en aluminium. L'air circule à travers les différents petits canaux qui composent la roue.

En appliquant des revêtements, les roues thermiques peuvent également transférer l'humidité d'un flux d'air à l'autre. Une roue thermique qui ne fait que de la récupération d'énergie est également appelée roue à condensation.

Une roue thermique qui récupère principalement l'humidité est appelée roue à sorption. Les roues thermiques qui peuvent réaliser les deux sont des roues enthalpiques.

L'efficacité des roues thermiques en matière d'eau chaude dépend de plusieurs paramètres. La vitesse de rotation est un premier facteur. En général, elle est d'environ 10 rotations par minute. L'épaisseur du rotor est également importante. Une roue plus épaisse permet d'obtenir un meilleur rendement, mais crée inévitablement une perte de pression plus importante.

Un point important à prendre en compte avec les roues thermiques et qu'il existe un risque de mélange d'air. Etant donné que la roue thermique tourne entre deux flux d'air, de l'air contaminé peut pénétrer par inadvertance dans le flux d'air frais.

Trois éléments peuvent limiter ce risque:

• Un matériau d'étanchéité autour de la roue. En appliquant des bandes ou des brosses sur le bord de la surface rotative, il est possible de ralentir les flux d'air involontaires qui pénètrent à côté de la roue plutôt qu'à l'intérieur.
• Une pression d'air plus élevée du côté de l'arrivée que du côté de l'évacuation. A l'avant et à l'arrière de la roue, le côté alimentation doit toujours être en surpression par rapport au côté évacuation. De cette manière, les fuites d'air iront toujours du côté des canaux d'alimentation vers les canaux d'évacuation, qui ont une pression d'air plus faible.
• Une zone de rinçage intégrée. Une zone de rinçage doit être installée à l'endroit où la roue tourne du conduit d'évacuation vers le conduit d'alimentation. La zone de rinçage évacue chaque fois une petite partie de l'air frais vers l'extérieur. Cela permet d'éviter que la rotation de la roue, en plus d'amener la chaleur de l'air évacué, apporte aussi une partie du flux d'air évacué dans le flux d'air entrant.  

Il a été dit précédemment que l'efficacité d'une roue thermique dépend de l'épaisseur du rotor et de la vitesse de rotation. Ces deux paramètres contribuent également à déterminer le risque de fuite d'air. C'est surtout la taille requise de la zone de rinçage qui en dépend. Une zone de rinçage plus grande est nécessaire dans les cas suivants:

• Le rotor est plus épais
• La vitesse de rotation est plus lente
• La vitesse de l'air est plus faible
• La différence de pression entre les deux côtés de la roue est plus faible.

Les roues thermiques ont l'avantage de permettre une récupération efficace et rapide de la chaleur pour de grands volumes d'air sans prendre trop de place

Les roues thermiques ont l'avantage de permettre une récupération efficace et rapide de la chaleur pour de grands volumes d'air sans prendre trop de place. Comme elles reçoivent de l'air à traiter des deux côtés en alternance, elles sont en partie autonettoyantes.

En outre, elles ne peuvent pas geler et sont capables de récupérer de la chaleur latente grâce à l'humidité contenue dans l'air évacué. Toutefois, cela présente des inconvénients: le risque déjà mentionné de mélange involontaire de l'air et les pièces mobiles, qui ont une durée de vie plus courte et un risque plus élevé de dysfonctionnement.

Systèmes d'accumulation

Enfin, les systèmes d'accumulation ou les systèmes de tampon thermique constituent un dernier moyen de récupérer la chaleur de l'air vicié et de la restituer à l'air entrant. Les vannes de régulation et les batteries de chaleur sont les principaux composants de ce type de système de récupération de chaleur.

Un système d'accumulation peut avoir deux positions. Par conséquent, les deux flux d'air peuvent être stockés de deux manières différentes. 

Dans les deux cas, l'air entre en contact avec une batterie thermique. La moitié du temps, l'air frais passe par le conduit A et l'air vicié par le conduit B. Au cours de ce processus, la batterie thermique du conduit A est déchargée et la batterie thermique du canal B est chargée.

Avec le temps, les vannes de contrôle inversent les trajectoires et l'air vicié passe par le canal A et l'air pur par le canal B. La batterie qui vient d'être chargée est maintenant déchargée et inversement.

L'avantage de ce système est son très haut rendement, de sorte qu'il n'est généralement pas nécessaire de travailler avec une batterie thermique supplémentaire dans le groupe d'air pour préchauffer l'air frais en hiver. En outre, les systèmes de tampon thermique sont souvent plus plats que les autres systèmes de récupération de chaleur.

C'est un avantage, en particulier pour les systèmes montés sur le toit, lorsqu'il n'est pas souhaitable que le groupe d'air soit visible depuis le sol.

Comme les roues thermiques, les systèmes à accumulation présentent l'inconvénient d'être soumis à de nombreux mouvements mécaniques, ce qui est préjudiciable à la durée de vie du système. La pollution accidentelle de l'air constitue également un risque.

La chaleur récupérée à d'autres fins

Outre la réutilisation de la chaleur au sein même de l'installation de traitement de l'air, d'autres applications de la récupération de chaleur sont également possibles. Les systèmes de ventilation C et D répondent à ces critères.

Source de chaleur pour les pompes à chaleur

La chaleur extraite de l'air vicié peut, entre autres, servir de source de chaleur pour une pompe à chaleur. Les fabricants de pompes à chaleur pouvant utiliser cette source de chaleur proposent souvent aussi des systèmes de ventilation.

Les deux systèmes peuvent donc être raccordés avec des composants de la même marque. Certains fabricants proposent même les deux installations techniques dans une seule grande installation intégrée.

Avec la collaboration de Klingenburg, Menerga, Renson, Vasco et Zehnder.