Placer un récupérateur de chaleur

Sommaire

Quantité d’énergie exploitable

Exemple.

Calculons l’énergie contenue dans 1 m^³ d’air rejeté à l’extérieur.

Soit de l’air à 22°C rejeté à l’extérieur où il fait 6°C.

La quantité de chaleur Q contenue dans ce m^³ d’air rejeté est égale au produit du volume d’air par la chaleur volumique de l’air (0,34 Wh/m³°C) et par l’écart de température entre l’air rejeté et l’air à l’extérieur (ΔT).

Q = 0,34 [Wh/m³°C] x 1 [m³] x (22 [°C] – 6 [°C]) = 5,4 Wh

En fait, l’énergie perdue est proportionnelle à l’écart de température et au taux d’humidité :

plus l’air rejeté est chaud (perte de chaleur sensible),
plus l’air rejeté est humide (perte de chaleur latente),
plus la température extérieure est basse.

Plus l’énergie contenue dans l’air rejeté est grande

Calculons l’énergie rejetée par heure par un groupe de ventilation ayant un débit de 10 000 m³/h.

Supposons que cet air de ventilation doit être simplement chauffé, et qu’il n’y a pas de contrôle d’humidité.

Ce groupe rejettera donc toutes les heures un potentiel énergétique de :

Énergie rejetée par heure : 5,4 [W/(m³/h)] x 10 000 [m³/h] = 54 [kWh]

Si le chauffage de l’air est assuré par une installation au mazout dont le rendement est de 70 % (rendement d’installation moyen), cela représente un équivalent combustible de :

54 [kWh] / 0,7 x 10 [kWh/litre] = 7,7 [litres]

Un récupérateur de chaleur sur l’air extrait permet, en gros, de récupérer 50 % de cette consommation, soit l’équivalent de 3,6 litres ou 1,35 € (à 0,375 €/litre) par heure de fonctionnement (certains récupérateurs permettent de récupérer 75 .. 90 % de cette consommation).

Installation sans récupération.

Installation avec récupération.

Calculs

Pour estimer le gain réalisable par le placement d’un récupérateur de chaleur.

Rentabilité d’un récupérateur de chaleur

La rentabilité du récupérateur résulte de la comparaison entre “le bénéfice”, c’est-à-dire le coût de l’énergie récupérée, et “les dépenses”, c’est-à-dire

Les dépenses de capital pour l’achat et le placement des échangeurs, pompes, ventilateurs, … (dans une installation neuve il faudra également tenir compte de l’éventuelle possibilité de réduire la taille des autres équipements de chauffe, batteries, chaudières, …),
les frais d’exploitation en consommation d’énergie des pompes, ventilateurs et accessoires,
les coûts d’entretien des équipements.

Le point délicat dans le calcul de la rentabilité sera l’estimation correcte de l’économie d’énergie que l’on peut atteindre. Celle-ci étant en pratique dépendante des conditions de fonctionnement essentiellement variables de la ventilation.

L’optimalisation consiste à rechercher, parmi plusieurs solutions techniques, la sélection de l’équipement présentant le temps de retour le plus court et/ou l’économie maximale.

L’optimum peut être déterminé selon les deux critères suivants :

Énergie nette maximale récupérée, qui est l’énergie totale récupérée moins les consommations en énergie du récupérateur (accessoires, accroissement des pertes de charge et donc de la puissance du ventilateur).
Gain financier maximum, le système est alors optimisé par rapport au gain financier pendant la durée de vie estimée de l’équipement (10 ans).

En fait, l’optimalisation se réalisera entre un nombre limité de solutions : différents modèles d’un même type et différents types de récupérateurs compatibles avec l’application concernée (les critères technologiques ayant déjà permis une première sélection).

Exemple.

Envisageons ici un exemple de calcul de rentabilité :

Soit une installation de ventilation assurant un débit de 10 000 m^³/h et fonctionnant en tout air neuf 10 h par jour (de 8 h à 18 h), 5 jours par semaine et 35 semaines par saison de chauffe, soit 1 750 h.

Économie d’énergie

La température intérieure est de 22°C.

L’énergie nécessaire au chauffage de l’air neuf est de (8°C = température moyenne extérieure diurne durant la saison de chauffe et 0,8 est le rendement de l’installation de chauffage) :

0,34 [Wh/m³.°C] x 10 000 [m³/h] x (22 [°C] – 8 [°C]) x
1 750 [h/an] / 0,8 / 1 000 = 104 125 [kWh/an].

Soit un récupérateur dont le rendement de récupération est de 50 % (batteries à eau glycolée).

Cela implique une énergie récupérée de 52 062 kWh/an ou 5 200 litres fuel ou 3 235,4 €/an (à 0,622 €/litre).

Augmentation de la consommation électrique

La puissance électrique des ventilateurs GP et GE de l’installation de base est de :

0,4 [W/(m³/h)], soit 4 [kW]

Le placement du récupérateur entraîne une augmentation des pertes de charge et donc une augmentation de la puissance des ventilateurs pour maintenir le même débit :

Puissance électrique des ventilateurs GP et GE avec récupérateur = 5,7 kW

Ainsi qu’une consommation électrique d’auxiliaire pour la circulation du fluide caloporteur :

Puissance de la pompe de circulation = 0,3 kW

Le supplément de consommation électrique sera donc de :

5,7 [kW] + 0,3 [kW] – 4 [kW] = 2 [kW] x 1 750 [h] = 3 500 [kWh/an]

soit à 0,16 [€/kWh] (consommation de jour) = 560 [€/an]

L’économie annuelle réelle est donc de 1950 [€/an] – 402,5 [€/an] = 2674,4 [€/an]

Investissement

Dans une installation existante, le placement d’un récupérateur implique le coût du récupérateur mais aussi son intégration dans les caissons de ventilation existants, la modification de la vitesse du ventilateur (changement de poulies et peut-être du moteur) de manière à maintenir le débit de ventilation nominal et le placement d’un filtre sur l’air extrait pour protéger la batterie si celui-ci est absent.

Si on ne tient compte que du récupérateur et de son placement, on peut estimer l’investissement à 6 250 €. Le temps de retour est donc de :

6 250 [€] / 2674,4 [€/an] = 2,34 [ans]

On observe donc que la rentabilité est très dépendante du prix de revient du kWh thermique.

Les situations les plus favorables

Tout d’abord, si on remplace l’entièreté du groupe de traitement d’air, n’importe quel type de récupérateur peut être installé (à plaques, par accumulation, caloduc ou à eau glycolée). Au niveau du choix, on se retrouve quasiment dans la situation d’un bâtiment neuf.

Concevoir

Choix d’un récupérateur de chaleur dans le cas d’une installation neuve (pour les immeubles de bureaux).

Si on ne remplace pas le groupe de traitement d’air, seule la solution de l’échangeur à eau glycolée est réaliste avec un minimum d’intervention technique. Elle a aussi l’avantage de ne pas imposer la proximité entre les prises et les rejets d’air. Il faudra cependant parfois adapter la section des conduits au droit des batteries pour adapter éventuellement la vitesse de l’air (2,5 .. 3 m/s) (la batterie sur l’air neuf pourra être mise dans n’importe quelle position, la batterie sur l’air extrait devra être verticale pour permettre l’évacuation des condensats).

En outre, on obtiendra la meilleure rentabilité du récupérateur dans les cas suivants :

des débits élevés (+ de 10 000 m³/h),
un usage permanent de l’installation de ventilation (ex : hôpitaux),
des besoins thermiques élevés (ex : piscines),
une source de chaleur particulière et disponible (process industriel),
un ventilateur et son moteur surdimensionnés au départ, ce qui peut éviter de pourvoir au remplacement des poulies et du moteur pour maintenir les débits prescrits.

Exigences en milieu hospitalier

En milieu hospitalier il est impératif de limiter au maximum les risques de biocontamination. L’air est un vecteur important responsable des infections nosocomiales. Pour cette raison, la distribution d’air doit, au même titre que les démarches d’hygiène classique de chirurgie par exemple, suivre une marche en avant du plus “propre” vers le plus “sale” sans croisement possible de l’un vers l’autre.

En clair, un air extrait ne peut pas dans la majorité des cas se mélanger ou être contact avec l’air neuf.

Les échangeurs air/air, où l’air neuf et l’air vicié sont en contact physiquement (échangeur à accumulation par exemple) l’un et l’autre, doivent être évités là où il n’y a pas d’exigence de filtration absolue et où le réseau de distribution d’air alimente des zones à activités médicales multiples (contamination croisée).

Il est aussi difficile de modifier une installation existante sachant que souvent les groupes de pulsion et d’extraction sont assez éloignés les uns des autres. Que ce soit dans la conception “tour” ou “pavillonnaire”, les groupes se trouvent aux extrémités opposées des plateaux des bâtiments.

On retiendra, qu’en milieu hospitalier, les récupérateurs les mieux appropriés sont des échangeurs :