Ventilation par insufflation et extraction avec récupération de chaleur : principe de fonctionnement, aperçu des avantages et inconvénients

L'arrivée d'air frais pendant la période froide nécessite de le chauffer pour assurer un bon microclimat intérieur. Pour minimiser la consommation d'électricité, une ventilation par insufflation et extraction avec récupération de chaleur peut être utilisée.

Comprendre ses principes de fonctionnement permettra de réduire au maximum les pertes de chaleur tout en maintenant un volume d'air de remplacement suffisant. Essayons de comprendre ce point.

Économie d'énergie dans les systèmes de ventilation

En automne et au printemps, une grande différence de température entre l'air entrant et l'air intérieur est un problème sérieux lors de la ventilation des locaux. Le flux froid se précipite vers le bas et crée un microclimat défavorable dans les maisons, bureaux et usines, ou un gradient de température vertical inacceptable dans un entrepôt.

Une solution courante au problème est l'intégration dans la ventilation d'alimentation d'un aérotherme, qui permet de chauffer le flux. Un tel système nécessite une consommation d'énergie électrique, tandis qu'un volume important d'air chaud sortant à l'extérieur entraîne des pertes de chaleur significatives.

La sortie d'air chargé de vapeur intense est un indicateur de pertes de chaleur importantes, qui peuvent être utilisées pour chauffer le flux entrant.

Si les conduits d'arrivée et d'évacuation d'air sont situés à proximité, il est possible de transférer partiellement la chaleur du flux sortant vers le flux entrant. Cela permet de réduire la consommation d'électricité de l'aérotherme, voire de s'en passer. Le dispositif assurant l'échange thermique entre des flux gazeux à différentes températures est appelé récupérateur.

Pendant la saison chaude, lorsque la température extérieure est nettement supérieure à celle de la pièce, le récupérateur peut être utilisé pour refroidir le flux entrant.

Conception de l'unité avec récupérateur

La structure interne des systèmes de ventilation à double flux avec un récupérateur intégré est assez simple, ce qui permet leur achat et installation par éléments séparés. Dans le cas où l'assemblage ou l'installation indépendante pose des difficultés, on peut acquérir des solutions prêtes à l'emploi sous forme de constructions monoblocs standard ou de structures individuelles sur mesure.

Le schéma type d'un système de ventilation par insufflation et extraction avec un récupérateur placé dans un boîtier unique peut être complété par d'autres composants selon les besoins de l'utilisateur.

Éléments principaux et leurs paramètres

Le boîtier avec isolation thermique et acoustique est généralement fabriqué en tôle d'acier. En cas d'installation murale, il doit résister à la pression générée lors du moussage des interstices autour du bloc, et également éviter les vibrations dues au fonctionnement des ventilateurs.

Dans le cas d'une extraction et d'une admission d'air réparties dans différentes pièces, on raccorde au boîtier un système de conduits d'air. Celui-ci est équipé de vannes et de registres pour la distribution des flux.

En l'absence de conduits, on installe une grille ou un diffuseur sur l'orifice d'admission côté pièce pour répartir le flux d'air. Sur l'orifice d'admission côté rue, on monte une grille de prise d'air extérieure pour éviter que des oiseaux, gros insectes ou débris ne pénètrent dans le système de ventilation.

Le mouvement de l'air est assuré par deux ventilateurs de type axial ou centrifuge. En présence d'un récupérateur, la circulation naturelle de l'air en volume suffisant est impossible en raison de la résistance aérodynamique créée par cet élément.

La présence d'un récupérateur nécessite l'installation de filtres fins à l'entrée des deux flux. Cela est nécessaire pour réduire l'encrassement par la poussière et les dépôts graisseux des canaux minces de l'échangeur de chaleur. Sinon, pour un fonctionnement optimal du système, il faudra augmenter la fréquence des opérations de maintenance.

Les filtres fins doivent être changés ou nettoyés périodiquement. Sinon, l'augmentation de la résistance au flux d'air entraînera une panne des ventilateurs.

Un ou plusieurs récupérateurs occupent le volume principal du dispositif d'insufflation et d'extraction. Ils sont montés au centre de la structure.

En cas de fortes gelées typiques de la région et d'un rendement insuffisant du récupérateur pour chauffer l'air extérieur, vous pouvez installer un aérotherme supplémentaire. Si nécessaire, on monte également un humidificateur, un ioniseur et d'autres dispositifs pour créer un microclimat favorable dans la pièce.

Les modèles modernes prévoient la présence d'une unité de commande électronique. Les modifications complexes disposent de fonctions de programmation des modes de fonctionnement en fonction des paramètres physiques de l'air ambiant. Les panneaux extérieurs ont un aspect attrayant, ce qui leur permet de s'intégrer parfaitement dans n'importe quel intérieur.

Solution au problème de condensation

Le refroidissement de l'air provenant de la pièce crée les conditions pour le déchargement de l'humidité et la formation de condensation. En cas de vitesse élevée du flux, une grande partie n'a pas le temps de s'accumuler dans le récupérateur et sort à l'extérieur. Lorsque l'air se déplace lentement, une part importante de l'eau reste à l'intérieur de l'appareil. Il est donc nécessaire d'assurer la collecte de l'humidité et son évacuation hors du boîtier du système de ventilation à double flux.

Le dispositif élémentaire pour la collecte et l'évacuation du condensat est un bac situé sous le récupérateur, incliné vers l'orifice d'évacuation.

L'évacuation de l'humidité se fait dans un réservoir fermé. Celui-ci est placé uniquement à l'intérieur du local pour éviter le gel des canaux d'écoulement par températures négatives. Il n'y a pas d'algorithm fiable pour calculer le volume d'eau recueilli lors de l'utilisation de systèms avec récupérateur, c'est pourquoi il est déterminé de manière expérimentale.

La réutilisation du condensat pour humdifier l'air n'est pas souhaitable, car l'eau absorbe de nombreux polluants, tels que la transpiration humaine, les odeurs, etc.

Il est possible de réduire considérablement le volume de condensat et d'éviter les problèmes associés à son apparition en organisant un systèm d'évacuation séparé pour la sall de bain et la cuisin. C'est dans ces pièces que l'air a la plus grand humidité. En cas de plusieurs systèms d'évacuation, l'échange d'air entre la zone technique et la zone d'habitation doit êtr limité à l'aide de clapets anti-retour.

En cas de refroidissement du flux d'air sortant à des températures négatives à l'intérieur du récupérateur, le condensat se transforme en glace, ce qui réduit la section vivante du flux et, par conséquent, diminue le volume ou arrête complètement la ventilation.

Pour le dégivrage périodique ou ponctuel du récupérateur, on installe un bypass – un canal de dérivation pour le mouvement de l'air soufflé. Lorsque le flux est dérouté autour de l'appareil, le transfert de chaleur cesse, l'échangeur se réchauffe et la glace passe à l'état liquide. L'eau s'écoule dans le réservoir de collecte du condensat ou s'évapore à l'extérieur.

Le principe de conception du bypass est simple, donc en cas de risque de formation de glace, il est prudent de prévoir une telle solution, car le dégivrage du récupérateur par d'autres moyens est difficile et long.

Lorsque le flux passe par le bypass, il n'y a pas de chauffage de l'air soufflé par le récupérateur. Par conséquent, lors de l'activation de ce mode, l'allumage automatique du réchauffeur est nécessaire.

Caractéristiques des différents types de récupérateurs

Il existe plusieurs variantes structurellement différentes pour réaliser l'échange thermique entre les flux d'air froid et chaud. Chacune d'entre elles possède ses propres caractéristiques distinctives, qui déterminent la destination principale de chaque type de récupérateur.

Récupérateur à plaques à flux croisés

La structure du récupérateur à plaques repose sur des panneaux à parois minces, reliés en alternance de manière à faire passer entre eux des flux à différentes températures selon un angle de 90 degrés. L'une des modifications de ce modèle est un dispositif avec des canaux à ailettes pour le passage de l'air. Il possède un coefficient d'échange thermique plus élevé.

Le passage alterné des flux d'air chaud et froid à travers les plaques est réalisé en recourbant les bords des plaques et en scellant les joints avec de la résine polyester.

Les panneaux d'échange thermique peuvent être fabriqués à partir de différents matériaux :

• le cuivre, le laiton et les alliages à base d'aluminium ont une bonne conductivité thermique et ne sont pas sujets à la rouille ;
• le plastique en matériau polymère hydrophobe à haute conductivité thermique a un faible poids ;
• la cellulose hygroscopique permet au condensat de traverser la plaque et de retourner dans la pièce.

L'inconvénient est la possibilité de formation de condensat à basse température. En raison de la faible distance entre les plaques, l'humidité ou le givre augmentent considérablement la résistance aérodynamique. En cas de gel, il est nécessaire de fermer le flux d'air entrant pour réchauffer les plaques.

Les avantages des récupérateurs à plaques sont les suivants :

• faible coût ;
• longue durée de vie ;
• une longue période entre les entretiens préventifs et la simplicité de leur exécution ;
• des dimensions et un poids réduits.

Ce type de récupérateur est le plus courant pour les locaux résidentiels et de bureau. Il est également utilisé dans certains processus industriels, par exemple pour optimiser la combustion du carburant dans les fours.

Type à tambour ou rotatif

Le principe de fonctionnement du récupérateur rotatif repose sur la rotation de l'échangeur de chaleur, à l'intérieur duquel se trouvent des couches de métal ondulé à haute capacité thermique. L'interaction avec le flux sortant chauffe le secteur du tambour, qui restitue ensuite la chaleur à l'air entrant.

L'échangeur de chaleur à petites mailles du récupérateur rotatif est sujet à l'encrassement, il faut donc accorder une attention particulière au bon fonctionnement des filtres à haute efficacité.

Les avantages des récupérateurs rotatifs sont les suivants :

• un rendement assez élevé par rapport aux types concurrents ;
• le retour d'une grande quantité d'humidité, qui sous forme de condensat reste sur le tambour et s'évapore au contact de l'air sec entrant.

Ce type de récupérateur est moins utilisé pour les bâtiments résidentiels avec une ventilation par appartement ou pour les maisons individuelles. On l'emploie souvent dans les grandes chaufferies pour récupérer la chaleur vers les fours ou pour de vastes locaux industriels ou de type commercial et de loisirs.

Cependant, ce type d'appareils présente des inconvénients majeurs :

• une construction relativement complexe avec des pièces mobiles, comprenant un moteur électrique, un tambour et une courroie, ce qui nécessite un entretien régulier ;
• niveau sonore élevé.

Parfois, pour les appareils de ce type, on peut rencontrer le terme “échangeur de chaleur régénératif”, ce qui est plus correct que “récupérateur”. En effet, une petite partie de l'air sortant retourne en raison d'un mauvis ajustement du tambour au boîtier de la structre.

Cela impose des restrictions supplémentaires sur la possibilité d'utilser des appareils de ce type. Par exemle, on ne peut pas utiliser l'air pollué des poèles de chauffage comme fluide caloporteur.

Système à tubes et calandre

Un récupérateur de type tubulaire est constitué d'un système de tubes à paroi mince de petit diamètre disposés dans une enveloppe isolée, à travers lesuels l'air extérieur est amené. L'enveloppe permet d'évacuer la masse d'air chaud de la pièce, qui réchauffe le flux entrant.

L'évacuation de l'air chaud doit se faire par l'enveloppe et non par le système de tubes, car il est impossible d'éliminer le condensat de ceux-ci.

Les principaux avantages des récupérateurs tubulaires sont les suivants :

• un rendement élevé, grâce au pricipe à contre-courant du movement du fluide caloporteur et de l'air entrant ;
• la simplicit de la construction et l'absence de pièces mobiles garantisent un faible nivea de bruit et un besoin rare d'entretien ;
• longue durée de vie ;
• la plus petite section parmi tous les types d'appareils de récupération.

Les tubes pour ce type d'appareil sont soit en métal léger, soit, plus rarement, en polymère. Ces matériaux ne sont pas hygroscopiques, donc avec une grande différence de température des flux, une formation intense de condensat dans l'enveloppe est possible, ce qui nécessite une solution constructive pour son élimination. Un autre inconvéient est que le remplissage métallique a un poids considérable, malgré les petites dimensions.

La simplicit de la construction du récupérateur tubulaire rend ce type d'appareil populire pour la fabrication maison. Comme enveloppe extérieure, on utilise généralement des tubes en plastique pour les conduits d'air, isolés avec une coque en polyuréthane.

Dispositif avec fluide caloporteur intermédiaire

Parfois, les conduits d'air soufflé et d'air extrait sont situés à une certaine distance l'un de l'autre. Une telle situation peut survenir en raison des particularités techniques du bâtiment ou des exigences sanitaires pour une séparation fiable des flux d'air.

Dans ce cas, on utilise un caloporteur intermédiaire qui circule entre les conduits d'air par un tuyau isolé. Comme milieu de transfert d'énergie thermique, on utilise de l'eau ou une solution eau-glycol, dont la circulation est assurée par le fonctionnement d'une pompe à chaleur.

Le récupérateur à caloporteur intermédiaire est un dispositif volumineux et coûteux, dont l'application est économiquement justifiée pour des locaux de grande superficie.

Dans le cas où il est possible d'utiliser un autre type de récupérateur, il est préférable de ne pas utiliser le système à caloporteur intermédiaire, car il présente les inconvénients majeurs suivants :

• faible rendement par rapport aux autres types d'appareils, c'est pourquoi pour les petites pièces avec un faible débit d'air, ces appareils ne sont pas utilisés ;
• un volume et un poids importants de l'ensemble du système ;
• la nécessité d'une pompe électrique supplémentaire pour la circulation du fluide ;
• un bruit accru dû au fonctionnement de la pompe.

Il existe une modification de ce système, où au lieu de la circulation forcée du fluide caloporteur, on utilise un milieu à bas point d'ébullition, par exemple le fréon. Dans ce cas, le mouvement dans le circuit est possible de manière naturelle, mais seulement si le conduit d'air soufflé est situé au-dessus du conduit d'air extrait.

Un tel système ne nécessite pas de dépenses supplémentaires en électricité, mais ne fonctionne pour le chauffage qu'en cas de différence de température significative. De plus, un réglage précis du point de changement d'état du fluide caloporteur est nécessaire, ce qui peut être réalisé en créant la pression requise ou une composition chimique spécifique.

Principaux paramètres techniques

Connaissant la performance requise du système de ventilation et le rendement d'échange thermique du récupérateur, il est facile de calculer les économies sur le chauffage de l'air pour le local dans des conditions climatiques spécifiques. En comparant le bénéfice potentiel avec les coûts d'achat et d'entretien du système, on peut raisonnablement faire un choix en faveur d'un récupérateur ou d'un aérotherme standard.

Souvent, les fabricants d'équipements proposent une gamme de modèles dans laquelle les blocs de ventilation aux fonctionnalités similaires diffèrent par le débit d'air. Pour les locaux résidentiels, ce paramètre doit être calculé conformément au tableau 9.1 du SP 54.13330.2016.

Rendement

Par coefficient de performance du récupérateur, on entend l'efficacité du transfert de chaleur, que l'on calcule à l'aide de la formule suivante :

K = (T_d – T_n) / (T_v – T_n)

Où :

• T_p – température de l'air entrant dans le local ;
• T_n – température de l'air extérieur ;
• T_v – température de l'air intérieur.

La valeur maximale du rendement à la vitesse de flux d'air nominale et à un régime de température donné est indiquée dans la documentation technique de l'appareil. Sa valeur réelle sera légèrement inférieure.

En cas de fabrication personnalisée d'un récupérateur à plaques ou à tubes, pour atteinire une efficacité maximale de transfert de chaleur, il est nécessaire de suivre les règles suivantes :

• Les meilleurs échanges thermiques sont assurés par les dispositifs à contre-courant, puis les dispositifs à flux croisés, et les moins bons par ceux à mouvement unidirectionnel des deux flux.
• L'intensité des échanges thermiques dépend du matériau et de l'épaisseur des parois séparant les flux, ainsi que de la durée de séjour de l'air à l'intérieur du dispositif.

Connaissant le rendement du récupérateur, on peut calculer son efficacité énergétique pour diférentes températures de l'air extérieur et intérieur :

E (W) = 0,36 × P × K × (T_v – T_n)

où P (m³/h) – débit d'air.

Le calcul de l'efficacité du récupérateur en équivalent monétaire et la comparaison avec les coûts d'achat et d'installation pour un chalet de deux étages d'une superficie totale de 270 m2 montrent l'opportunité d'installer un tel système.

Le coût des récupérateurs à haut rendement est assez élevé, ils ont une construction complexe et des dimensions importantes. Parfois, on peut contourner ces problèmes en installant plusieurs dispositifs plus simples de telle sorte que l'air entrant passe successivement à travers eux.

Performance du système de ventilation

Le volume d'air traité est déterminé par la pression statique, qui dépend de la puissance du ventilateur et des composants principaux créant une résistance aérodynamique. En général, son calcul précis est impossible en raison de la complexité du modéle mathématique, c'est pourquoi pour les constructions monobloc standard, des études expérimentales sont réalisées, et pour les dispositifs individuels, on procède à la sélection des composants.

La puissance du ventilateur doit être choisie en tenant compte de la capacité de passage des récupérateurs installés de tout type, qui est indiquée dans la documentation technique comme la vitesse de débit recommandée ou le volume d'air traité par unité de temps. En général, la vitesse admissible de l'air à l'intérieur du dispositif ne dépasse pas 2 m/s.

Dans le cas contraire, à des vitesses élevées dans les éléments étroits du récupérateur, on observe une augmentation rapide de la résistance aérodynamique. Cela entraîne des coûts énergétiques supplémentaires, un réchauffement inefficace de l'air extérieur et une réduction de la durée de vie des ventilateurs.

Le graphique de la perte de charge en fonction de la vitesse du flux d'air pour plusieurs modèles de récupérateurs haute performance montre une augmentation non linéaire de la résistance. Il est donc nécessaire de respecter les exigences concernant le volume d'air recommandé, indiquées dans la documentation technique de l'appareil.

Le changement de direction du flux d'air crée une résistance aérodynamique supplémentaire. Par conséquent, lors de la modélisation de la géométrie du conduit d'air à l'intérieur du bâtiment, il est souhaitable de minimiser le nombre de coudes de tuyaux à 90 degrés. Les diffuseurs destinés à disperser l'air augmentent également la résistance, il est donc préférable de ne pas utiliser d'éléments avec un motif complexe.

Les filtres et grilles encrassés créent des perturbations importantes dans l'écoulement du flux. Il faut donc les nettoyer ou les remplacer périodiquement. L'un des moyens efficaces d'évaluer l'encrassement consiste à installer des capteurs qui surveillent la différence de pression entre les sections avant et après le filtre.

Conclusions et vidéo utile sur le sujet

Principe de fonctionnement d'un récupérateur rotatif et à plaques :

Mesure du rendement d'un récupérateur à plaques :

Les systèmes de ventilation domestiques et industriels intégrant un récupérateur de chaleur ont prouvé leur efficacité énergétique pour conserver la chaleur à l'intérieur des bâtiments. Il existe aujourd'hui de nombreuses offres de vente et d'installation de ces dispositifs, à la fois sous forme de modèles prêts à l'emploi et éprouvés, ou sur commande individuelle. Il est possible d'effectuer soi-même le calcul des paramètres nécessaires et la mise en place.

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