Échangeur à eau glycolée

Sommaire

Principe

Le récupérateur à eau glycolée est constitué de deux batteries, en général constituées de tubes en cuivre et d’ailettes en aluminium (éventuellement cuivre/cuivre ou l’ensemble en acier galvanisé), placées l’une dans le groupe d’extraction, l’autre dans le groupe de pulsion.

La distance entre ailettes est de 1,6 mm à 6 mm ce qui, vu la longueur habituelle des échangeurs, nécessite tant sur l’air neuf que sur l’air repris, un filtre de classe G3 monté chaque fois en amont de l’échangeur.

Etant donné l’encombrement non seulement de chaque échangeur mais également du filtre et des pièces de transformations entre l’échangeur et les conduits aérauliques en amont et en aval ainsi que la place nécessaire pour changer le filtre et nettoyer l’échangeur, on doit pouvoir disposer d’une longueur totale de 3,5 à 4 m, distance dont on ne dispose pas toujours pour l’installation, après coup, d’un échangeur, d’où la nécessité de veiller préalablement à ce point. Par ailleurs il est toujours judicieux de prévoir l’isolation thermique des pièces de raccordement aux conduits aérauliques.

Les batteries de pulsion et d’extraction sont reliées entre elles par un circuit de tuyauteries comprenant des vannes d’isolement, une pompe de circulation, un vase d’expansion, un orifice de remplissage et divers appareils de mesure (thermomètres et manomètre).

Dans le circuit ainsi constitué circule de l’eau glycolée (antigel). Ce fluide caloporteur sert de vecteur de transport des calories puisées dans l’air extrait (chaud, par ex : 20°C) vers l’air neuf (froid, par ex : – 10°C).

En descendant en dessous du point de rosée, la chaleur latente de la vapeur d’eau contenue dans l’air extrait peut être récupérée. Ce système n’assure cependant pas de transfert d’humidité. Il n’y a aucune contamination de l’air frais par l’air vicié.

Les circuits d’extraction et de pulsion peuvent être éloignés l’un de l’autre, ce qui peut être très avantageux.

Pour éviter la formation de glace sur l’échangeur de chaleur du conduit d’air rejeté, il faut éviter de refroidir trop l’air. Un by-pass avec vanne 3 voies sur le circuit d’eau permet de limiter la quantité de chaleur récupérée. Dans le calcul des frais d’exploitation, il faut tenir compte :

des pertes de charge créées par la présence des échangeurs dans les gainages et donc de la consommation d’énergie supplémentaire des ventilateurs,
de la consommation d’énergie de la pompe de circulation.

Le rendement est directement lié au nombre de tubes et de rangs des échangeurs. Il existe ainsi des récupérateurs à eau glycolée à haute performance dont les dimensions ont été majorées.

Puisque l’échange de chaleur se fait via l’utilisation d’un fluide intermédiaire (2 échangeurs en cascade et donc deux D T° ), le rendement maximum est assez faible.

Généralement, à cause de l’accroissement des pertes de charge avec l’augmentation de la surface d’échange, les rendements les plus élevés ne correspondent pas aux économies les plus importantes.

Le récupérateur à eau glycolée nécessite également une régulation pour éviter les surchauffes en été et les problèmes de gel en hiver.

De même, un entretien régulier concernant le circuit hydraulique du récupérateur doit être prévu.

Facteur influençant le rendement

Prenons un exemple :

Soit un groupe de ventilation de 5 000 m^³/h de section 78 x 78 cm soit 0.6 m². Le débit et la section de passage impliquent une vitesse d’air dans la batterie de 2,3 m/s (5 000 / (0,6 * 3 600)).

Sur le catalogue d’un constructeur, on sélectionne deux batteries, modèle 3-1, une sur l’air rejeté et une sur l’air frais (3 indique le nombre de rang de tube – 1 indique en mm l’espacement entre les ailettes).

Le graphique donne à partir des points 1 et 3 (débit), les points 2 et 4. À partir du point 4 une verticale est abaissée jusqu’à la courbe V_an/V_av, rapport entre le Volume d’air neuf et le Volume d’air vicié (ici on choisit V_an / V_av= q₁/ q₃= 0,9), le point 5 est obtenu.

À l’intersection de la verticale au point 2 et de l’horizontale au point 5, on trouve la valeur du rendement du récupérateur. Ici, +/- 61 %.

Graphe rendement du récupérateur.

Courbes de rendement.

On constate que l’efficacité de l’échange augmente si :

l’espacement entre les ailettes est réduit,
le volume d’air extrait est grand par rapport au volume d’air neuf,
le nombre de rang est élevé.

> l’efficacité thermique se situe généralement entre 40 – 80 %.

Avantages – Désavantages

Avantages

Les flux d’air neuf et d’air rejeté sont totalement séparés, il n’y a donc pas de risque de contamination,
flexibilité dans la disposition des gaines d’air neuf et d’air évacué,
régulation de température très simple à réaliser par une vanne 3 voies,
groupement possible de plusieurs installations (la source de chaleur ne doit pas forcément provenir de l’installation de ventilation).

Désavantages

Transfert de chaleur latente limité car la température du fluide glycolé est peu souvent en dessous de la température de rosée de l’air extrait,
l’énergie consommée pour la pompe eau glycolée réduit le rendement net de récupération. Une valeur de 5 % est un ordre de grandeur,
perte de charge relativement importante,
rendement généralement faible,
la boucle d’eau demande une surveillance et un entretien supplémentaire vu le risque de corrosion et la présence d’une pompe de circulation,
la présence de glycol comme antigel accroît la perte de charge côté eau et réduit le transfert de chaleur,
coûts importants pour des petites installations,
sans mesures appropriées, il y a risque de givre sur l’air extrait.

Régulation

Tous les types de récupérateurs nécessitent un système de régulation :

En hiver pour éviter le gel du côté de l’air extrait : si l’échange est tel que la température de l’air extrait chute sous 0°C, il faut réduire le transfert de chaleur pour éviter le givre de l’échangeur.

En mi-saison et en été pour éviter la surchauffe de l’air à la sortie du récupérateur : il faut réduire l’échange pour éviter que la température de l’air neuf devienne telle qu’elle contribue à surchauffer l’ambiance intérieure.

En demi-saison

La grandeur de réglage auxiliaire prépondérante est alors la température de soufflage. On utilise alors comme ensemble régleur une vanne à 3 voies. S’il faut réduire la puissance de l’échangeur, on diminue alors le débit d’eau glycolée en circulation dans l’échangeur sur l’air neuf. Dans les cas extrêmes, la vanne se ferme complètement et la pompe de circulation s’arrête.

En été

Lorsqu’en été la température extérieure augmente, la différence avec la température de reprise augmente également car même si l’on admet une température intérieure plus élevée, cette dernière augmente moins vite que la température extérieure. Il est donc tout à fait judicieux de récupérer du “froid” de l’air repris pour le transférer à l’air neuf. La pompe de circulation est alors mise en route en fonction de l’écart de température entre la température de l’air neuf et celle de l’air repris. La vanne 3 voies fonctionne alors en réglage simple (passage direct de l’eau sans mélange ni dérivation).

En hiver

Lorsque la température extérieure est basse, la température du fluide intermédiaire pourrait tomber en dessous de 0°C. En fonction de l’état de l’air repris, il n’est pas impossible que l’échangeur de chaleur sur lequel circule l’air repris se mette à geler. Pour éviter une telle situation et ses graves conséquences, on prévoit un thermostat antigel qui n’est autre qu’une sonde de température placée sur le conduit aéraulique en amont de l’échangeur. En fonction de ses indications, la vanne 3 voies réagit de façon à réduire le débit-masse de fluide intermédiaire qui circule dans l’échangeur de chaleur traversé par l’air neuf, d’où une diminution de la quantité de chaleur transférée. Il est donc bien évident que la puissance de la batterie de réchauffage classique prévue en aval de l’échangeur sur l’air soufflé doit être augmentée en conséquence.

Entretien

Le contrôle de l’état de propreté de l’équipement de récupération est primordial.

En effet, l’encrassement des surfaces d’échange a deux conséquences néfastes sur la récupération : la réduction du coefficient d’échange de chaleur et la réduction des débits d’air.

Le tableau ci-dessous donne, les différents points à contrôler lorsque l’on fait la maintenance :

Échangeur à boucle d’eau		v
1	État des surfaces d’échange (nettoyage régulier)	X
2	Contrôle des éventuelles fuites d’air	–
	fuites externes	X
3	Contrôle de la régulation
	régulation sur le circuit caloporteur	X
	régulation antigel	X
4	Contrôle du fluide caloporteur	–
	contrôle de la teneur en antigel (glycol)	X
	contrôle du remplissage du circuit	X
	contrôle du débit	X
	contrôle de la purge	X

Exemple

En vue de comparer les différents systèmes de récupération, nous développons ici le calcul du rendement de l’installation pour les différents systèmes de récupération présentés.

Prenons comme exemple une installation de traitement d’air d’un immeuble de bureaux, fonctionnant en tout air neuf, 10 heures/jour, 5 jours/semaine.

Les groupes de pulsion et d’extraction GP/GE sont de même débit : 21 000 m³/h – section de 1 525 x 1 525 mm, soit une vitesse d’air de 2,5 m/s.

Dans le cas d’un échangeur à eau glycolée, on déduit du catalogue du constructeur :

le choix de batteries avec boucle d’eau glycolée, en Cu/Al, avec 8 rangs,
le fonctionnement dans les conditions extrêmes :

l’évolution dans le diagramme de l’air humide :

l’efficacité thermique instantanée :

ε_t= t₂– t₁/ t₃– t₁= (3,8 – (- 10)) / (22 – (- 10)) = 0,43 = 43 %

L’équipement sélectionné a entraîné les températures de sortie des fluides. On en déduit que le récupérateur a donné un accroissement de température de l’air neuf de 43 % de l’écart maximal entre les fluides, soit 0,43 x 32° = 13,8°.

Remarque : en réalité, le rendement thermique (rapport des enthalpies) donnerait :

η = h₂– h₁/ h₃– h₁= (7,5 – (- 6,5)) / (41 – (- 6,5)) = 0,30 = 30 %

Seulement 30 % du transfert maximal (en chaleur sensible et latente) est réalisé par le récupérateur).

La puissance maximale récupérée représente :

P_{max. réc.}= 0,34 [W/(m³/h).°C] x 21 000 [m³/h] x (3,8 – (-10°)) = 96 [kW]

0,34 [W/(m³/h).°C] = chaleur spécifique de l’air

Cette puissance pourra être déduite de la puissance de la chaudière à installer.

L’efficacité thermique, calculée dans les conditions extrêmes (- 10°C), reste sensiblement identique aux autres températures de la saison de chauffe. La température moyenne extérieure en journée étant de 8°C, la puissance moyenne récupérée sera de :

P_{moy. réc.}= 96 [kW] x (22° – (8°)) / (22° – (- 10°)) = 96 x 0,44 = 42 [kW]

Cela entraîne une économie thermique de :

E_réc= 42 [kW] x 10 [h/j] x 5 [j/sem] x 35 [sem] / 0,8 = 92 140 [kWh]

Le facteur 0.8 correspond au rendement saisonnier de la production de chaleur pour une installation nouvelle, dont les conduites sont isolées. On prendrait 0.7 pour une installation plus ancienne. 35 semaines correspondent à la durée de la saison de chauffe.

Suite à la présence du récupérateur (pertes de charge complémentaires), les puissances des ventilateurs sont modifiées comme suit :