Ventilation de soufflage et d'extraction avec récupération de chaleur : principe de fonctionnement, revue des avantages et des inconvénients
L'apport d'air frais pendant la période froide entraîne la nécessité de le chauffer pour assurer un microclimat intérieur correct.Pour minimiser les coûts énergétiques, une ventilation de soufflage et d'extraction avec récupération de chaleur peut être utilisée.
Comprendre les principes de son fonctionnement vous permettra de réduire le plus efficacement possible les pertes de chaleur tout en conservant un volume d'air remplacé suffisant. Essayons de comprendre ce problème.
Le contenu de l'article :
Économie d'énergie dans les systèmes de ventilation
Pendant la période automne-printemps, lors de la ventilation des pièces, un problème sérieux est la grande différence de température entre l'air entrant et l'air intérieur. Le flux froid se précipite et crée un microclimat défavorable dans les immeubles d'habitation, les bureaux et les usines ou un gradient de température vertical inacceptable dans un entrepôt.
Une solution courante au problème est l'intégration dans la ventilation d'alimentation aérotherme, à l'aide duquel le flux est chauffé. Un tel système nécessite une consommation d'énergie, tandis qu'un volume important d'air chaud s'échappant de l'extérieur entraîne des pertes de chaleur importantes.
Si les canaux d'entrée et de sortie d'air sont situés à proximité, il est alors possible de transférer partiellement la chaleur du flux sortant vers celui entrant.Cela réduira la consommation d'énergie du radiateur, voire l'éliminera complètement. Un dispositif permettant d'assurer l'échange thermique entre des flux gazeux de températures différentes est appelé récupérateur.
Pendant la saison chaude, lorsque la température de l'air extérieur est nettement supérieure à la température ambiante, un récupérateur peut être utilisé pour refroidir le flux entrant.
Conception d'une unité avec récupérateur
Structure interne des systèmes de ventilation d'alimentation et d'extraction avec récupérateur intégré Ils sont assez simples et peuvent donc être achetés et installés indépendamment élément par élément. Si le montage ou l'auto-installation est difficile, vous pouvez acheter des solutions prêtes à l'emploi sous forme de structures monoblocs standards ou préfabriquées individuelles sur commande.
Principaux éléments et leurs paramètres
La carrosserie avec isolation thermique et phonique est généralement en tôle d'acier. Dans le cas d'une installation murale, il doit résister à la pression qui se produit lors du moussage des fissures autour de l'unité, et également empêcher les vibrations dues au fonctionnement des ventilateurs.
Dans le cas d'une prise et d'un flux d'air distribués dans différentes pièces, raccorder au boîtier système de conduits d'air. Il est équipé de vannes et de registres pour répartir les débits.
S'il n'y a pas de conduits d'air, une grille ou un diffuseur est installé sur l'ouverture d'alimentation sur le côté de la pièce pour répartir le flux d'air. Une grille d'entrée d'air de type externe est installée sur l'ouverture d'entrée côté rue pour empêcher les oiseaux, les gros insectes et les débris de pénétrer dans le système de ventilation.
Le mouvement de l'air est assuré par deux ventilateurs à action axiale ou centrifuge. En présence d'un récupérateur, la circulation naturelle de l'air dans un volume suffisant est impossible en raison de la résistance aérodynamique créée par cet ensemble.
La présence d'un récupérateur implique l'installation de filtres fins à l'entrée des deux flux. Ceci est nécessaire pour réduire l'intensité du colmatage des canaux minces de l'échangeur de chaleur par des dépôts de poussière et de graisse. Dans le cas contraire, pour que le système fonctionne pleinement, il sera nécessaire d'augmenter la fréquence des maintenances préventives.
Un ou plusieurs récupérateurs occupent le volume principal du dispositif d'alimentation et d'évacuation. Ils sont montés au centre de la structure.
En cas de fortes gelées typiques du territoire et d'efficacité insuffisante du récupérateur pour chauffer l'air extérieur, vous pouvez en plus installer un chauffage. De plus, si nécessaire, un humidificateur, un ioniseur et d'autres appareils sont installés pour créer un microclimat favorable dans la pièce.
Les modèles modernes incluent une unité de commande électronique. Les modifications complexes ont des fonctions de programmation des modes de fonctionnement en fonction des paramètres physiques de l'environnement aérien. Les panneaux extérieurs ont un aspect attrayant, grâce auquel ils s’intègrent bien dans n’importe quel intérieur.
Résoudre le problème de la condensation
Le refroidissement de l'air provenant de la pièce crée les conditions préalables à l'évacuation de l'humidité et à la formation de condensation. Dans le cas d'un débit important, la majeure partie n'a pas le temps de s'accumuler dans le récupérateur et sort à l'extérieur.Avec un mouvement d'air lent, une partie importante de l'eau reste à l'intérieur de l'appareil. Il est donc nécessaire de veiller à ce que l’humidité soit collectée et évacuée à l’extérieur du boîtier. système d'alimentation et d'échappement.
L'humidité est évacuée dans un récipient fermé. Il est placé uniquement à l'intérieur pour éviter le gel des canaux d'évacuation à des températures inférieures à zéro. Il n'existe pas d'algorithme pour calculer de manière fiable le volume d'eau reçu lors de l'utilisation de systèmes avec récupérateur, il est donc déterminé expérimentalement.
La réutilisation des condensats pour l'humidification de l'air n'est pas souhaitable, car l'eau absorbe de nombreux polluants tels que la sueur humaine, les odeurs, etc.
Vous pouvez réduire considérablement le volume de condensat et éviter les problèmes liés à son apparition en organisant un système d'évacuation séparé de la salle de bain et de la cuisine. C'est dans ces pièces que l'air est le plus humide. S'il y a plusieurs systèmes d'évacuation, les échanges d'air entre les zones techniques et résidentielles doivent être limités par l'installation de clapets anti-retour.
Si le flux d'air évacué est refroidi à des températures négatives à l'intérieur du récupérateur, les condensats se transforment en glace, ce qui provoque une réduction de la section ouverte du flux et, par conséquent, une diminution de volume ou un arrêt complet de la ventilation.
Pour le dégivrage périodique ou ponctuel du récupérateur, un by-pass est installé - un canal de dérivation pour le mouvement de l'air soufflé. Lorsqu'un flux contourne l'appareil, le transfert de chaleur s'arrête, l'échangeur thermique se réchauffe et la glace passe à l'état liquide. L'eau s'écoule dans le réservoir de récupération des condensats ou s'évapore à l'extérieur.
Lorsque le flux passe par le by-pass, il n'y a pas de chauffage de l'air soufflé à travers le récupérateur. Par conséquent, lorsque ce mode est activé, le chauffage doit s'allumer automatiquement.
Caractéristiques des différents types de récupérateurs
Il existe plusieurs options structurellement différentes pour mettre en œuvre l'échange thermique entre les flux d'air froid et chauffé. Chacun d'eux a ses propres caractéristiques distinctives, qui déterminent l'objectif principal de chaque type de récupérateur.
Récupérateur à plaques à flux croisés
La conception du récupérateur à plaques est basée sur des panneaux à parois minces, reliés alternativement de manière à alterner le passage de flux de températures différentes entre eux sous un angle de 90 degrés. L'une des modifications de ce modèle est un dispositif doté de canaux à ailettes pour le passage de l'air. Il a un coefficient de transfert de chaleur plus élevé.
Les panneaux d'échange thermique peuvent être constitués de divers matériaux :
- les alliages à base de cuivre, de laiton et d'aluminium ont une bonne conductivité thermique et ne sont pas sensibles à la rouille ;
- plastique fabriqué à partir d'un matériau polymère hydrophobe avec un coefficient de conductivité thermique élevé et un faible poids ;
- la cellulose hygroscopique permet à la condensation de pénétrer à travers la plaque et de revenir dans la pièce.
L'inconvénient est la possibilité de formation de condensation à basse température.En raison de la faible distance entre les plaques, l'humidité ou la glace augmentent considérablement la traînée aérodynamique. En cas de gel, il est nécessaire de bloquer le flux d'air entrant pour réchauffer les plaques.
Les avantages des récupérateurs à plaques sont les suivants :
- faible coût;
- longue durée de vie;
- long délai entre la maintenance préventive et la facilité de sa mise en œuvre ;
- petites dimensions et poids.
Ce type de récupérateur est le plus courant pour les locaux d'habitation et de bureaux. Il est également utilisé dans certains procédés technologiques, par exemple pour optimiser la combustion des combustibles lors du fonctionnement des fours.
Type à tambour ou rotatif
Le principe de fonctionnement d'un récupérateur rotatif repose sur la rotation d'un échangeur de chaleur, à l'intérieur duquel se trouvent des couches de tôle ondulée à haute capacité thermique. En raison de l'interaction avec le flux sortant, le secteur du tambour est chauffé, ce qui dégage ensuite de la chaleur à l'air entrant.
Les avantages des récupérateurs rotatifs sont les suivants :
- efficacité assez élevée par rapport aux types concurrents ;
- retour d'une grande quantité d'humidité, qui reste sous forme de condensation sur le tambour et s'évapore au contact de l'air sec entrant.
Ce type de récupérateur est moins souvent utilisé pour les immeubles d'habitation pour la ventilation des appartements ou des chalets. Il est souvent utilisé dans les grandes chaufferies pour restituer la chaleur aux fours ou pour les grands locaux industriels ou commerciaux.
Ce type de dispositif présente cependant des inconvénients importants :
- une conception relativement complexe avec des pièces mobiles, notamment un moteur électrique, un tambour et un entraînement par courroie, qui nécessitent un entretien constant ;
- augmentation du niveau de bruit.
Parfois, pour les appareils de ce type, on peut rencontrer le terme « échangeur de chaleur régénératif », qui est plus correct que « récupérateur ». Le fait est qu'une petite partie de l'air évacué revient en raison de l'ajustement lâche du tambour au corps de la structure.
Cela impose des restrictions supplémentaires sur la possibilité d'utiliser des appareils de ce type. Par exemple, l’air pollué provenant des poêles ne peut pas être utilisé comme liquide de refroidissement.
Système de tubes et de boîtiers
Un récupérateur de type tubulaire est constitué d'un système de tubes à paroi mince de petit diamètre situés dans une enveloppe isolée, à travers lesquels s'effectue un afflux d'air extérieur. Le boîtier évacue l'air chaud de la pièce, ce qui réchauffe le flux entrant.
Les principaux avantages des récupérateurs tubulaires sont les suivants :
- haute efficacité grâce au principe de mouvement à contre-courant du liquide de refroidissement et de l'air entrant ;
- la simplicité de conception et l'absence de pièces mobiles garantissent de faibles niveaux de bruit et nécessitent rarement un entretien ;
- longue durée de vie;
- la plus petite section transversale parmi tous les types de dispositifs de récupération.
Les tubes pour ce type d'appareil utilisent soit un alliage léger, soit, plus rarement, un polymère. Ces matériaux ne sont pas hygroscopiques, donc avec une différence significative de températures de départ, une condensation intense peut se former dans le boîtier, ce qui nécessite une solution constructive pour son élimination.Un autre inconvénient est que le remplissage métallique a un poids important, malgré ses petites dimensions.
La simplicité de conception d'un récupérateur tubulaire rend ce type d'appareil apprécié pour l'autoproduction. Les tuyaux en plastique pour conduits d'air, isolés par une coque en mousse de polyuréthane, sont généralement utilisés comme enveloppe extérieure.
Appareil avec liquide de refroidissement intermédiaire
Parfois, les conduits d'air soufflé et d'évacuation sont situés à une certaine distance les uns des autres. Cette situation peut survenir en raison des caractéristiques technologiques du bâtiment ou des exigences sanitaires en matière de séparation fiable des flux d'air.
Dans ce cas, un liquide de refroidissement intermédiaire est utilisé, circulant entre les conduits d'air à travers une canalisation isolée. Comme moyen de transfert d'énergie thermique, on utilise de l'eau ou une solution eau-glycol dont la circulation est assurée par le fonctionnement pompe à chaleur.
S'il est possible d'utiliser un autre type de récupérateur, alors il vaut mieux ne pas utiliser de système avec un liquide de refroidissement intermédiaire, car il présente les inconvénients importants suivants :
- faible efficacité par rapport à d'autres types d'appareils, ces appareils ne sont donc pas utilisés pour les petites pièces à faible débit d'air ;
- volume et poids importants de l'ensemble du système ;
- la nécessité d'une pompe électrique supplémentaire pour faire circuler le liquide ;
- augmentation du bruit de la pompe.
Il existe une modification de ce système lorsqu'au lieu d'une circulation forcée du fluide caloporteur, un fluide à bas point d'ébullition, tel que le fréon, est utilisé.Dans ce cas, le déplacement le long du contour est naturellement possible, mais uniquement si le conduit d'air soufflé est situé au-dessus du conduit d'air évacué.
Un tel système ne nécessite pas de coûts énergétiques supplémentaires, mais ne fonctionne pour le chauffage que lorsqu'il existe une différence de température importante. De plus, il est nécessaire d'affiner le point de changement de l'état d'agrégation du fluide caloporteur, ce qui peut être réalisé en créant la pression requise ou une certaine composition chimique.
Principaux paramètres techniques
Connaissant les performances requises du système de ventilation et l'efficacité d'échange thermique du récupérateur, il est facile de calculer les économies de chauffage de l'air d'une pièce dans des conditions climatiques spécifiques. En comparant les avantages potentiels avec les coûts d'achat et d'entretien du système, vous pouvez raisonnablement faire un choix en faveur d'un récupérateur ou d'un aérotherme standard.
Efficacité
L'efficacité d'un récupérateur s'entend comme l'efficacité du transfert de chaleur, qui se calcule à l'aide de la formule suivante :
K = (TP. -Tn) / (TV -Tn)
Où:
- TP. – température de l'air entrant dans la pièce ;
- Tn – la température de l'air extérieur ;
- TV – la température de l'air ambiant.
Valeur d'efficacité maximale en standard vitesse du flux d'air et un certain régime de température sont indiqués dans la documentation technique de l'appareil. Son chiffre réel sera légèrement inférieur.
Dans le cas de l'autofabrication d'un récupérateur à plaques ou tubulaires, afin d'obtenir une efficacité maximale de transfert de chaleur, vous devez respecter les règles suivantes :
- Le meilleur transfert de chaleur est assuré par les dispositifs à contre-courant, puis les dispositifs à flux croisés, et le moins par le mouvement unidirectionnel des deux flux.
- L'intensité du transfert thermique 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 de l'appareil.
Connaissant l'efficacité du récupérateur, vous pouvez calculer son efficacité énergétique à différentes températures de l'air extérieur et intérieur :
E (W) = 0,36 x P x K x (TV -Tn)
où P (m3/heure) – débit d’air.
Le coût des récupérateurs à haut rendement est assez élevé, ils ont une conception complexe et des dimensions importantes. Parfois, vous pouvez contourner ces problèmes en installant plusieurs appareils plus simples afin que l'air entrant les traverse de manière séquentielle.
Performances du système de ventilation
Le volume d'air traversé est déterminé par la pression statique, qui dépend de la puissance du ventilateur et des principaux composants créant une résistance aérodynamique. En règle générale, son calcul exact est impossible en raison de la complexité du modèle mathématique. Des études expérimentales sont donc réalisées pour des structures monoblocs standard et des composants sont sélectionnés pour des appareils individuels.
La puissance du ventilateur doit être choisie en tenant compte du débit des échangeurs de chaleur installés de tout type, qui est indiqué dans la documentation technique comme le débit ou le volume d'air recommandé passé par l'appareil par unité de temps. En règle générale, la vitesse de l'air autorisée à l'intérieur de l'appareil ne dépasse pas 2 m/s.
Sinon, à grande vitesse, une forte augmentation de la résistance aérodynamique se produit dans les éléments étroits du récupérateur. Cela entraîne des coûts énergétiques inutiles, un chauffage inefficace de l’air extérieur et une durée de vie réduite des ventilateurs.
Changer la direction du flux d’air crée une traînée aérodynamique supplémentaire. Par conséquent, lors de la modélisation de la géométrie d'un conduit d'air intérieur, il est souhaitable de minimiser le nombre de tours de tuyau de 90 degrés. Les diffuseurs d'air augmentent également la résistance, il est donc déconseillé d'utiliser des éléments aux motifs complexes.
Les filtres et grilles sales créent des interférences importantes avec le débit, ils doivent donc être périodiquement nettoyés ou remplacés. Un moyen efficace d’évaluer le colmatage consiste à installer des capteurs qui surveillent la chute de pression dans les zones situées avant et après le filtre.
Conclusions et vidéo utile sur le sujet
Principe de fonctionnement du récupérateur rotatif et à plaques :
Mesure de l'efficacité d'un récupérateur à plaques :
Les systèmes de ventilation domestiques et industriels avec récupérateur intégré ont prouvé leur efficacité énergétique pour maintenir la chaleur à l'intérieur. Il existe désormais de nombreuses offres pour la vente et l'installation de tels appareils, à la fois sous forme de modèles prêts à l'emploi et testés, et sur commandes individuelles. Vous pouvez calculer les paramètres nécessaires et effectuer l'installation vous-même.
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