Récupération de chaleur dans les systèmes de ventilation : principe de fonctionnement et variantes d'exécution

Lors du processus de ventilation, non seulement l'air vicié est évacué de la pièce, mais aussi une partie de l'énergie thermique. En hiver, cela entraîne une augmentation des factures d'énergie.

Pour réduire les dépenses injustifiées sans compromettre le renouvellement d'air, la récupération de chaleur dans les systèmes de ventilation de type centralisé et local est une solution. Pour régénérer l'énergie thermique, différents types d'échangeurs de chaleur – les récupérateurs – sont utilisés.

L'article décrit en détail les modèles d'appareils, leurs caractéristiques de conception, leurs principes de fonctionnement, leurs avantages et leurs inconvénients. Les informations fournies vous aideront à choisir l'option optimale pour aménager votre système de ventilation.

Notion de récupération : principe de fonctionnement de l'échangeur de chaleur

Traduit du latin, récupération signifie compensation ou récupération inverse. En ce qui concerne les réactions d'échange thermique, la récupération est caractérisée comme un retour partiel de l'énergie dépensée pour effectuer une action technologique en vue de son utilisation dans le même processus.

Dans le système de ventilation, le principe de récupération est utilisé pour économiser l'énergie thermique.

Par analogie, la récupération de réfrigération se produit par temps chaud – les masses d'air soufflé chaud chauffent l'« air évacué » et leur température diminue.

Le processus de régénération d'énergie s'effectue dans un échangeur thermique à récupération. L'appareil comporte un élément d'échange thermique et des ventilateurs pour faire circuler des flux d'air de directions opposées. Un système automatisé est utilisé pour gérer le processus et contrôler la qualité de l'air fourni.

La conception est telle que les flux d'air entrant et sortant soient dans des compartiments séparés et ne se mélangent pas – la récupération de chaleur se fait à travers les parois de l'échangeur thermique.

Pour comprendre ce qu'est la ventilation avec récupération, un schéma illustré de la circulation de l'air vous aidera.

Par les extracteurs dans les pièces humides (toilettes, salle de bain, cuisine), l'air vicié est évacué. Avant de sortir à l'extérieur, il traverse le récupérateur et cède une partie de sa chaleur. L'air insufflé circule en sens inverse, se réchauffe et pénètre dans les pièces de vie (+).

Pertinence du récupérateur dans la ventilation

On peut parler de la pertinence d'installer une ventilation à récupération en évaluant l'efficacité du système et en comparant ses avantages et ses inconvénients.

Une partie de la chaleur est prélevée sur l'air vicié extrait vers l'extérieur et est transmise aux courants d'air frais insufflés vers l'intérieur. Cela permet de réduire les pertes de chaleur jusqu'à 70% (+).

La nécessité d'utiliser la récupération de chaleur est la plus pertinente dans les bâtiments à évacuation d'air forcée. Il s'agit généralement de constructions à faible inertie, réalisées avec des technologies d'isolation thermique innovantes (maisons en panneaux sandwich, plaques de silicate de gaz, blocs de mousse).

Dans de telles constructions, les murs accumulent mal la chaleur et l'échange d'air naturel est peu efficace.

Cependant, les problèmes de circulation d'air sont également caractéristiques des constructions « traditionnelles » en brique et en béton. La présence de fenêtres en PVC hermétiques, thermiques et acoustiquement isolantes, bloque la circulation naturelle – l'apport d'air frais s'arrête, et le tirage dans le conduit de ventilation s'inverse ou tend vers zéro.

La solution au problème des « fenêtres européennes » – l'organisation d'une ventilation mécanique. Le système rétablit l'échange d'air, mais les pertes de chaleur augmentent jusqu'à 60%. Et là, on ne peut pas se passer de récupération de chaleur.

L'efficacité du processus d'échange s'exprime en pourcentage et indique la quantité de chaleur prélevée sur l'air extrait pour chauffer l'air frais entrant.

Indice de rendement de la récupération de chaleur par ventilation :

• 0% – une fenêtre ouverte – l'air chaud est évacué dans l'atmosphere, et l'air froid entre, abaissant la température intérieure ;
• 100% – l'air entrant est chauffé à la température de l'air extrait – techniquement impossible à réaliser ;
• 30-90% – paramètre acceptable ; une récupération avec une efficacité de 60% ou plus est considérée comme bonne, un rendement supérieur à 80% – excellent échange thermique.

L'efficacité du système dépend du type de récupérateur, des dimensions de la pièce et du débit d'air. Dans tous les cas, l'utilisation d'une ventilation avec récupéation, même avec un rendement de 30%, est plus avantageuse que son absence. Outre des économies substantielles d'énergie, la « régénération » de la chaleur amélior le climat intérieur global.

Inconvénients de l'utilisation d'un échangeur de chaleur :

1. Dépendance énergétique. L'achat d'équipement climatique est justifié si la consommation d'électricité est nettement inférieure aux économies réalisées après l'installation du récupérateur.
2. Formation de condensat. En raison de la diérence de température sur les parois de l'échangeur, de l'humidité peut se condenser. En hiver, il y a un risque de givrage, ce qui peut entraîner une baisse rapide du rendement ou une panne du récupérateur.
3. Fonctionnement bruyant. Certains modèles émetent un bruit sourd pendant le fonctionnement. Si ce défaut est perctible le jour, la nuit, le bruit devient inconfortable. Les récupérateurs avec une islation améliorée fonctonnnent silencieuseent.

Les investissements initiaux élevés sont souvent le principal argument contre la ventilation économe en énergie.

Il est judicieux d'investir dans un système qui sera amorti en 5 à 8 ans. Il fau tenir compte du fait que l'entretien du complexe engendera des coûts supplémentaires, par exemple, le remplacement périodique des ventilateurs.

Particularités des différents types d'échangeurs de chaleur

La conception du récupérateur détermine le schéma de circulation du caloporteur, l'efficacité du système de ventilation, la classe de consommation d'énergie et le coût de l'équipement. Cinq types d'échangeurs de chaleur sont utilisés : à plaques, rotatif, à caloducs, à chambres et à caloporteur intermédiaire.

Récupérateur à plaques – simplicité de conception

La base de l'échangeur de chaleur est une chambre étanche avec de nombreux conduits d'air parallèles. Les canaux sont séparés par des cloisons – des plaques conductrices de chaleur, fabriquées en acier ou en aluminium.

Les plaques ondulées (60 à 70 pièces) sont regroupées dans un seul bloc de manière à ce que les canaux formés soient disposés en croix les uns par rapport aux autres – la turbulence créée améliore l'échange thermique (+)

Les flux de gaz se déplacent en sens inverse, se croisent dans la cassette du récupérateur, mais ne se mélangent pas. L'échange thermique s'effectue par le refroidissement et le chauffage simultanés des plaques de différents côtés.

Avantages de l'échangeur de chaleur croisé :

• simplicité d'installation et de réglage de l'équipement ;
• absence de contact entre les masses d'air ;
• coût abordable et dimensions compactes ;
• absence de pièces frottantes et mobiles.

L'indicateur d'efficacité varie entre 40 et 70 %.

Le principal inconvénient du modèle à plaques est le dépôt de condensat dans le conduit d'extraction et la formation de givre en hiver. Pour dégivrer l'appareil, le flux d'air entrant est redirigé en contournant l'échangeur de chaleur, et le flux sortant chaud fait fondre la glace sur les plaques.

En mode « dégivrage », aucune économie d'énergie n'a lieu ; des aérothermes d'une puissance allant jusqu'à 5 kW sont utilisés pour chauffer l'air entrant. La valeur moyenne du rendement baisse de 20 % (+)

Deux solutions possibles pour résoudre le problème :

1. Préchauffage du flux d'air entrant à une température à laquelle la formation de givre est exclue.
2. Récupérateur avec plaques en cellulose hygroscopique. Le matériau absorbe l'humidité des masses d'air évacuées et la transmet aux flux entrants.

Lors du choix d'un échangeur de chaleur croisé, il convient de prendre en compte les caractéristiques de fonctionnement des plaques.

Leurs caractéristiques dépendent du matériau de fabrication :

1. Feuille d'aluminium – coût abordable, mais performances limitées en hiver. De plus, déconseillé pour les pièces d'habitation en raison du dessèchement de l'air. Les versions avec « garniture » en aluminium – sont optimales pour les bains et les piscines.
2. Cloisons en plastique – leur prix est similaire à celui des produits métalliques, mais elles se distinguent par une efficacité de fonctionnement améliorée.
3. Échangeur en cellulose – il empêche le gel et maintient une teneur en humidité normale à l'intérieur de la pièce.

Le récupérateur hygrocellulosique est le plus économique et optimal pour la ventilation des bâtiments résidentiels.

Récupérateur rotatif – haute efficacité du système

L'échangeur de chaleur se présente sous la forme d'un cylindre rempli de couches de métal ondulé. Au fur et à mesure que l'installation rotative tourne, des courants d'air chaud ou froid entrent alternativement dans chaque compartiment.

Structure du récupérateur rotatif : arbre de rotation et deux canaux d'air. Une section du rotor est chaufée par l'air vicié, le tambour tourne et la chaleur est redirigée vers les masses d'air froid concentrées dans le canl adjacent (+)

Le rendement de l'échange thermique est détermine par la vitesse de rotation du rotor ; l'éfficacité de fonctionnement peut être réglée.

Arguments en faveur du récupérateur rotatif :

• récupération de chaleur jusqu'à 65-90% ;
• économie de consommation électrique ;
• compensation partielle de l'humidité – versus pouves vous passer d'humidifiateur ;
• période de récupération – jusqu'à 4 ans.

Malgré une éfficacité élevée, l'échangeur de chaleur à tambour n'est pas devenu le leader parm les installations similaires.

Inconvénients du systeme de ventilatio :

1. Mélange d'air pollué dans l'air souflé. Les masses d'air extrait et d'air souflé circulent alternativement à traves les micro-caniaux, de sorte qu'environ 3 à 8 % de l'air vicié revient. Le tambour transmet souvent l'odeur de l'air sortant.
2. Complexité de la construction. Les pièces rotatives du rotor nécessitent un entretien régulier et un remplacement périodique. Les éléments mobiles émettent du bruit et des vibrations pendant le fonctionnement.
3. Coût élevé. Le prix des modèles rotatifs est plus élevé que celui des modèles à plaques. Cela est dû à l'utilisation d'une mécanique complexe dans la construction de l'échangeur de chaleur à tambour.
4. Grandes dimensions. Le montage s'effectue dans une chambre de ventilation spacieuse.

En raison de leur encombrement, les installations rotatives sont utilisées principalement dans les entrepris es indutrielles.

Pour minimiser le mélange des flux d'air, les récupérateus rotatifs sont complétés par des secteurs intermédiires – ici, les micro-canaux sont balayés par de l'air frais qui retourne vers l'extration. Inconvénient du schéma – réduction du rendement (+)

Échangeurs de chaleur liés – modèle au glycol

L'instalation de récupération avec un caloteur intermédiire est souvent appelée, en raison de ses caractériques de construction, échangeus de chaleur couplés ou groupe au glycole. C'est l'un des systemes de récupération de chaleur les plus flexibles. Un échangeur de chaleur est inséré dans le canal d'air soufélé, et l'atre dans l'extration.

Dans le schéma de raccordement, on trouve : une pompe de circulatio, un vase d'xansion, un clapet d'air, un contrôleur, un capteur de tempéature, une soupape de sécurité, un indicatu de pression (+)

Principe de fonctionnement. Le fluide glycolé circule entre les échangeurs thermiques. La température du fluide caloporteur augmente grâce au flux extrait réchauffe, puis l'énergie thermique est transmise à l'air neuf. Le système fermé empêche le méange des masses d'air opposées.

Caractéristiques de fonctionnement des échangeurs thermiques avec fluide caloporteur :

• Rendeent – 45-55 % ;
• réglage de l'eficacité à l'aide d'une pompe – la vitesse de circulation de l'antigel est sélectionnée ;
• possibilité d'nstaller les conduits d'air de soufflge et d'extraction à distance l'un de l'autre (jusqu'à 800 m) ;
• le montage du récupérateur s'efectue verticalment ou horizontalment ;
• en cas de grand froid, la surface de l'échangeur d'extraction gèle – de la glace apparaît ; l'utilisation d'antigel permet d'exploiter le récupérateur sans avoir recours au dégivrage ;
• délai de retour sur investissement du système – jusqu'à 2 ans ;
• une combinaison d'une extraction et de plusiers souflages, ou inveresent, est admissile.

Le volume d'air extrait et d'air introduit doit être approximativement égal. Ces récupérateurs sont généralment utilisés si l'air souflé est toxique ou fortement pollué, lorsque le méange des flux est inadmissile.

Module à chambre – polyvalence d'utilisation

Concrètement, l'échangeur à chambre est un caisson fermé avec une cloison mobile à l'intérieur. Cette cloison ouvante détermine le schéma de fonctionnement du récupérateur.

L'air extrait circule le long d'un canal, tandis que l'air souflé entre dans la deuxième chambre. Dans l'échangeur, les masses chaudes chauffent les parois du premier compartiment. Après un certain temps, le volet se déplace et le flux d'air change de direction.

En résulat, l'air souflé se déplace le long des parois chaudes du premier conduit, et l'air vicié chauffe la surface de la deuxième chambre. À un moment donné, la cloison revient en arrière et le cycle se répète.

Avantages de l'unité d'échange à chambre :

• Rendement – 80-90 % ;
• en tandem avec une isolation thermique de qualité, les coûts de chauffage sont réduits au minimum ;
• facilité d'installation – l'aide de spécialistes sera nécessaire pour choisir les paramètres de l'installation de ventilation ;
• maintien du taux d'humidité ;
• le gel du système est exclu.

Le récupérateur à chambre est une excellente option pour les régions où, au cours de l'année, on observe un déséquilibre significatif entre la température intérieure et extérieure pendant une longue période.

Les inconvénients de l'unité de récupération de chaleur sont :

• nécessité d'un entretien régulier des élémnts mobiles ;
• les courants d'air opposés se mélangent partielment – des odeurs et des impuretés peuvent revenir dans le bâtiment.

Pour réduire le mélange, le système est équipé d'un élément filtrant. L'air devient plus pur, mais l'efficacité du récupérateur diminue.

Tubes thermiques – système fermé d'échange thermique

Le récupérateur est composé de nombreux tubes en cuivre ou en alumiium, remplis d'une substace facilment évaporable, par exemple du fréon. Le principe de fonctionnement de l'échangeur tubulaire repose sur des processus physiques – le changment d'état de la substace lors du chauffe.

Le tube thermique est placé verticalement – l'extrémité inférieure de l'échangeur de chaleur se trouve dans le conduit d'extraction, et l'extrémité supérieure dans le conduit d'arrivée d'air. Les flux sortants contournent l'extrémité du tube – le fréon chauffe, bout et s'évapore (+)

Le gaz monte et cède son énergie thermique à l'air entrant, après quoi le fréon se condense et redescend dans le récupérateur. Le cycle thermique se répète en boucle.

Caractéristiques techniques et opérationnelles de l'échangeur de chaleur tubulaire :

• Efficacité de l'apreil – jusqu'à 65 % ;
• Fonctionnement silencieux gràce à l'absence de pièces mobiles ;
• Simplicité de conception et facilité d'entreien ;
• Compacité – – dimensions réduites et poids faible ;
• Indépendance énergétique – le caloporteur cirule aturellement ;

Un avantage considérable est que les flux d'air d'entrée et de retour ne se mélangent pas.

Faiblesses des tubes thermiques :

• Haut niveau de rendement est atent dans une plage de températures étroite – en cas de surchauffe brutale, tout le fréon s'évapore, et en cas de chauffage insuffisant, l'intensité de la vaporisation ralentit ;
• Faible résistance des tubes – le changemen de forme ou la dépressurisation réduit la capcité de travail de l'éqipement.

Les récupérateurs tubulaires sont utilisés dans la constrction privée, dans les bâtiments administratifs, de bureaux et dans les peties zones industrielles.

Méthodes d'organisation de la ventilation récupérative

La récupération est mise en place par l'une des méthodes : centrlisée ou décentralisée. Dans le premier cas, les flux de ventilation traversent l'échangeur de chaleur provenant de tout le local, dans le second, d'une seule pièce.

Complexe centralisé – unité de ventilation avec récupération

Le système centralisé est mis en place lors de la phase de construction ou de modernisation majeure du système de ventilation.

On choisi une unité de ventilation double flux (UVE) avec un récupérateur intégré. Le critère pricipal de sélection est la performance globale de l'ensemble en fonction du volume d'air total dans la structre (+)

L'UVE avec récupérateur assure un renouvellement d'air suffisant, même dans les maisons aux fenêtres étanches. Les flux d'air sont répatis de manière uniforme, sans créer de courants d'air.

Les unités de ventilation à soufflage et extraction de type monobloc sont équipées :

• Ventilateurs – alimentation continue d'air pur et évacuation des flux chargés de gaz caronique ;
• Réchauffeurs – prérhauffage de l'air entrant ;
• Filtres – retiennent la pousière et les microprticules ;
• Récupérateur – différents types d'installations peuvent être utilisés.

Les fonctionnalités de certaines UVE sont élargies avec une minuterie de delai de travail, un régulateur de puissnce, des cateurs d'humidité, etc.

Le boîtie des modèles monobloc est recouvet d'un matéiau insororant, ce qu rend le fonctonnement de l'unit de ventilaton très silenciux. Des configuratons vericales, horiontales et suspenues sont possibles pour les unts de ventilaton.

Les récupérateurs de chaleur monoblocs des marques suvanes ont fait leurs preuves : Vents (Ukraine), Dantherm (Danemark), Daikin (Japon), Dantex (Angleterre).

Appareils locaux – complément au système de ventilation existant

Pour rétablir la circulation de l'air dans une pièce en exploitation, les aérateurs décentralisés avec récupération de chaleur sont adaptés.

Ils s'encastrent dans la façade du bâtiment ou se montent à travers la fenêtre. Leur tâche principale est d'améliorer la ventilation d'apport d'air dans la maison.

Dans les récupérateurs locaux, un ventilateur et un échangeur de chaleur à plaques sont prévus. Le « manchon » de l'aérateur est isolé avec un matériau insonorisant. Le bloc de commande des unités de ventilation compactes est placé sur le mur intérieur.

Caractéristiques des systèmes de ventilation décentralisés avec récupération :

• Rendement – 60-96 % ;
• Faible capacité – les appareils sont conçus pour assurer le renouvellement de l'air dans des pièces jusqu'à 20-35 m² ;
• Coût abordable et large choix d'appareils, allant des clapets muraux ordinaires aux modèles automatisés avec système de filtration à plusieurs étages et possibilité de réglage de l'humidité ;
• Simplicité de montage – pour sa mise en service, aucun conduit d'air n'est nécessaire, installer une vanne murale peut se faire par vous-même.

Fabricants populaires de récupérateurs locaux : Prana (Ukraine), O.Erre (Italie), Blizzard (Allemagne), Vents (Ukraine), Aerovital (Allemagne).

Critères importants pour le choix d'un aérateur mural : épaisseur de mur admissible, débit, rendement du récupérateur, diamètre du conduit d'air et température du fluide transporté.

Conclusions et vidéo utile sur le sujet

Comparaison du fonctionnement de la ventilation naturelle et du système mécanique avec récupération :

Principe de fonctionnement d'un récupérateur centralisé, calcul du rendement :

Structure et mode de fonctionnement d'un échangeur de chaleur décentralisé avec l'exemple du clapet mural Prana :

Environ 25 à 35 % de la chaleur quitte la pièce par le système de ventilation. Pour réduire les pertes et assurer une récupération thermique efficace, des récupérateurs sont utilisés. L'équipement climatique permet d'utiliser l'énergie des masses d'air extraites pour chauffer l'air entrant.

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