Dans un monde où l'efficacité énergétique devient une priorité, les récupérateurs de chaleur gagnent en popularité et constituent un outil efficace pour améliorer l'efficacité énergétique des bâtiments. L'élément clé de ces systèmes de ventilation avancés est l'échangeur de chaleur, communément appelé récupérateur. Quels sont les types d'échangeurs utilisés dans les récupérateurs de chaleur et en quoi diffèrent-ils ? Découvrez-le dans cet article !
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Comment le système de récupération de chaleur a-t-il été utilisé dans les maisons unifamiliales ?
Dans le langage courant, le terme « récupérateur » est couramment utilisé depuis de nombreuses années. Que signifie-t-il exactement ? Un récupérateur est un appareil de ventilation avec récupération de chaleur. Initialement, la récupération de chaleur était utilisée dans les grandes unités de ventilation d'un débit d'air de plusieurs dizaines de milliers, puis de plusieurs milliers de m³/h. La réglementation a progressivement réduit cette valeur. Selon le règlement actuel du ministre des Infrastructures « Relatif aux conditions techniques que doivent respecter les bâtiments et leur emplacement », des dispositifs de récupération de chaleur de l'air extrait doivent être utilisés dans les systèmes de ventilation mécanique d'un débit d'air de 500 m³/h et plus.
Le rendement thermique du récupérateur de chaleur doit être d'au moins 50 %. Cependant, l'intérêt croissant pour l'utilisation de la récupération de chaleur dans les habitations résidentielles ces dernières années ne s'explique pas uniquement par la réglementation en vigueur. Souvent, le rendement d'une unité centrale ne dépasse pas 500 m³/h. La prise de conscience croissante de l'importance de la qualité de l'air que nous respirons au quotidien a contribué à la popularisation de la ventilation mécanique dans les immeubles unifamiliaux.
Quel rôle joue l'échangeur de chaleur dans un récupérateur ?
Le récupérateur (unité de récupération de chaleur) est composé des éléments suivants :
- Échangeur de chaleur
- ventilateur d'alimentation
- ventilateur d'extraction
- Filtre à air
- Filtre d'échappement
- Capteurs
- radiateur électrique
- By-pass
- Logement
Nous nous concentrerons sur le composant le plus important du récupérateur : l'échangeur de chaleur. Il constitue sans aucun doute le cœur de l'appareil. C'est là que la chaleur est échangée entre l'air extrait (des pièces) et l'air soufflé (de l'extérieur). Grâce à lui, la chaleur est préservée de toute perte avec l'air extrait (ce qui se produit avec une ventilation gravitaire classique), et une grande partie peut être récupérée. Cela permet d'économiser l'énergie qui serait consacrée au chauffage de l'air nécessaire à la ventilation.
Un aspect important du processus de récupération de chaleur est la récupération d'humidité, ou plutôt son absence. Le taux d'humidité de l'air dans une pièce n'est souvent pas une priorité lors du choix d'un appareil adapté. L'humidité de l'air détermine de nombreux aspects de la vie et semble être l'un des éléments clés du confort quotidien. Elle affecte directement notre bien-être, les problèmes de santé, le développement de champignons et de bactéries, la transmission de virus ou la durabilité des matériaux de construction. C'est pourquoi les types d'échangeurs présentés en détail ci-dessous seront également décrits sous cet angle.
Division et types d'échangeurs de chaleur utilisés dans les unités de récupération de chaleur
Dans les unités de ventilation à récupération de chaleur, les échangeurs de chaleur occupent une place centrale et jouent un rôle essentiel dans le bon fonctionnement du système. Ils assurent le transfert de chaleur de l'air extrait vers l'air soufflé, ce qui contribue à minimiser les pertes d'énergie et à accroître l'efficacité de l'ensemble du processus de ventilation. Il existe de nombreux types d'échangeurs de chaleur utilisés dans les unités de ventilation à récupération de chaleur, chacun possédant des caractéristiques et des applications uniques. Qu'est-ce qui les distingue ?
Échangeurs à plaques
Les échangeurs à plaques sont constitués de plaques minces en acier, en aluminium, en plastique ou, dans le cas des échangeurs enthalpiques (récupérant l'humidité), d'une membrane spéciale. Ces plaques créent des canaux d'alimentation et d'évacuation isolés les uns des autres. Les flux d'air traversant l'échangeur ne se touchent pas. Le phénomène de récupération de chaleur se produit alors. Le flux d'air chaud (évacué des pièces) chauffe les plaques de l'échangeur, tandis que le flux d'air froid (apporté de l'extérieur) absorbe la chaleur des plaques chauffées. En hiver, l'humidité se condense à la surface de l'échangeur en raison de la différence de température entre l'air d'alimentation et l'air d'évacuation.
Les condensats condensés sont évacués vers un bac de récupération et leur excédent gèle partiellement, obstruant les espaces de circulation d'air. Ce processus est communément appelé givrage des échangeurs. Lorsque la température extérieure est inférieure à -4 °C, une protection antigel doit être utilisée. Les unités de ventilation équipées d'échangeurs à plaques sont équipées de systèmes de protection sous forme d'une chambre vide avec un registre, située à côté de l'échangeur (communément appelé by-pass), d'un préchauffeur électrique ou d'algorithmes régulant le fonctionnement des ventilateurs. Selon le mode de circulation de l'air, les échangeurs à plaques sont classés en échangeurs à flux croisés ou à contre-courant.
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Échangeur à flux croisés
L'échangeur à flux croisés est conçu de telle sorte que les canaux d'air des flux d'alimentation et d'évacuation sont perpendiculaires. On a l'impression que les flux d'air se croisent (d'où son nom). En réalité, ils circulent dans des canaux séparés. En raison du temps de contact relativement court des flux d'air, le rendement des échangeurs à flux croisés est inférieur à celui des échangeurs à contre-courant et varie de 50 à 75 %. Les échangeurs à flux croisés sont les plus sensibles au givrage. Leur avantage réside sans aucun doute dans leur simplicité, qui se traduit par un prix avantageux.
Échangeur à contre-courant
L'échangeur à contre-courant est plus perfectionné que l'échangeur à flux croisés. Il s'agit de sa version améliorée. La principale différence réside dans le fait que, dans la partie centrale de l'échangeur, les canaux d'alimentation et d'évacuation sont parallèles. Les flux circulent en sens inverse. De ce fait, l'air froid traversant la dernière section de l'échangeur est réchauffé par l'air extrait le plus chaud. Les récupérateurs à échangeur à contre-courant se caractérisent par un rendement supérieur à celui des échangeurs à flux croisés. Leur rendement atteint jusqu'à 90 %. Ils sont moins sensibles au gel, mais disposent néanmoins de plusieurs dispositifs de protection pour le dégivrage en hiver, où la condensation de la vapeur d'eau se produit en permanence. De par leur conception, ils sont plus coûteux que les échangeurs à flux croisés.
Échangeur de chaleur à contre-courant à condensation
Un échangeur de chaleur à contre-courant qui évacue irréversiblement les condensats hors de la circulation d'air est appelé échangeur de chaleur à condensation à contre-courant. Cela peut constituer à la fois un inconvénient et un avantage. Les apports de vapeur d'eau générés par les occupants du logement ne suffisent généralement pas à compenser les pertes dues au fonctionnement continu de la ventilation mécanique. Par conséquent, en hiver, l'air devient sec, ce qui a un impact significatif sur le confort d'utilisation. Par ailleurs, pendant les périodes pluvieuses et de transition, la présence d'un tel échangeur permet d'assécher l'air du bâtiment.
Ceci est également utile lors de la mise en service d'un nouveau bâtiment, lorsque l'humidité s'accumule encore dans les enduits et les chapes. À ce stade, il serait judicieux d'envisager l'utilisation d'un humidificateur d'air soufflé. Cependant, leur popularité sur le marché polonais est faible. Les fabricants qui proposent un humidificateur l'adaptent très souvent pour fonctionner uniquement avec une unité centrale dédiée de leur production. Et d'un point de vue purement commercial, on peut difficilement leur en vouloir.
Échangeur d'enthalpie
La différence entre un échangeur de chaleur à contre-courant enthalpique et un échangeur de chaleur à condensation réside dans le matériau utilisé pour la fabrication des plaques. Dans le cas d'un échangeur de chaleur à contre-courant enthalpique, les plaques sont constituées d'une membrane polymère, véritable filtre permettant le transfert de la vapeur d'eau. La récupération de chaleur et la récupération partielle d'humidité s'effectuent grâce à cet échangeur.
Un autre avantage des échangeurs enthalpiques est leur plage de fonctionnement plus large, sans nécessiter de protection antigel supplémentaire (fonctionnement jusqu'à -8 °C). Néanmoins, les unités équipées de ces échangeurs sont équipées des systèmes de protection mentionnés ci-dessus. La récupération d'humidité en hiver est recommandée et résout le problème de la sécheresse de l'air. Il convient toutefois de rappeler que cette récupération peut également se produire en été. L'humidité de l'air intérieur doit alors être supérieure à celle de l'air extérieur.
Échangeurs à contre-courant en spirale
Il convient de mentionner l'existence d'échangeurs de chaleur spiralés à contre-courant. Leur conception est protégée par un brevet. Il s'agit d'une solution unique, mise en œuvre par une entreprise polonaise. L'échangeur est constitué d'une feuille d'aluminium et d'une tôle galvanisée enroulées en spirale et profilées en forme de cylindre. Il est structurellement divisé en deux espaces indépendants : l'air soufflé et l'air extrait.
Les deux espaces sont séparés par un joint d'étanchéité, assurant une séparation précise, ce qui permet de récupérer la chaleur de l'air extrait sans le mélanger à l'air soufflé. La conception spiralée de l'échangeur assure un flux d'air circulaire, à contre-courant et partiellement croisé. Sa grande surface d'échange thermique et son long trajet d'air rendent l'échangeur résistant au gel. Son rendement dépasse 85 % avec un rapport air soufflé/air extrait de 1:1.
Les récupérateurs de chaleur de cette solution se distinguent par leur haute résistance au gel et peuvent être utilisés sans résistances de protection à l'entrée d'air neuf ni systèmes de dégivrage, contrairement aux autres appareils de ce type. L'absence de préchauffeur pour protéger l'échangeur du gel à basse température permet de réaliser des économies significatives tout au long de l'année.
Échangeur de chaleur rotatif à condensation
L'échangeur de chaleur rotatif à condensation est constitué d'une alternance de tôles d'aluminium ondulées et plates enroulées sur un cylindre spécial (tambour). La tôle crée des canaux dans lesquels circulent alternativement les flux d'air entrant et sortant des pièces. Une courroie d'entraînement est enroulée autour de l'échangeur et, entraînée par le moteur, met le cylindre en mouvement (rotation autour de son axe). Pendant la rotation, l'énergie est récupérée grâce au processus de régénération.
Le processus de régénération se caractérise par le contact des flux d'air intérieur et extérieur sur la même surface de l'échangeur (mélange), ce qui permet la récupération de chaleur et une récupération partielle de l'humidité. En hiver, lorsque la température extérieure est basse, l'air extrait des pièces se refroidit jusqu'à une température inférieure au point de rosée, ce qui entraîne la condensation des condensats. L'eau se dépose dans les canaux puis, grâce à la rotation de l'échangeur, se retrouve dans l'air extérieur froid.
L'air extérieur se réchauffe, ce qui provoque l'évaporation d'une partie des condensats, puis leur recirculation, humidifiant ainsi partiellement l'air frais. Le processus est continu et les condensats n'ont pas le temps de geler. C'est là que réside l'avantage des échangeurs de chaleur rotatifs : ils peuvent fonctionner à des températures extérieures très basses (-30 °C) sans nécessiter de protection antigel. Leur inconvénient réside toutefois dans leur dépendance aux composants mécaniques (moteur, courroie de transmission, etc.) et leur consommation électrique supplémentaire (nécessité d'une alimentation électrique supplémentaire).
Échangeur de chaleur rotatif à sorption
Un échangeur de chaleur rotatif à sorption n'est rien d'autre qu'un échangeur à condensation équipé d'un matériau hygroscopique supplémentaire, permettant l'absorption de la vapeur d'eau de l'air. Un tel échangeur est capable de récupérer jusqu'à 90 % de l'humidité de l'air extrait. L'absorption de la vapeur d'eau de l'air se produit aussi bien en hiver qu'en été et ne repose pas sur le phénomène de condensation. L'utilisation de ce type d'échangeur est efficace dans les pièces à faible humidité. L'utilisation d'un autre échangeur (à condensation rotatif ou à contre-courant enthalpique) ne donnerait pas de résultats satisfaisants en raison d'une récupération d'humidité trop faible.
Que faut-il prendre en compte lors du choix d’un récupérateur ?
Le choix d'un récupérateur doit être précédé d'une analyse des besoins des utilisateurs de locaux ventilés. Le choix d'un appareil diffère selon qu'il s'agit de bureaux ou d'une maison d'habitation. Qu'il s'agisse d'immeubles individuels ou collectifs, il est toujours nécessaire de tenir compte des particularités de chaque famille, de ses habitudes et de son mode de fonctionnement, étroitement liées aux gains d'humidité. Ces gains doivent donc être un facteur déterminant dans le choix de la solution de récupération d'énergie la plus adaptée.