Batterie à eau chaude ou résistance électrique ?

Une batterie à eau chaude est constituée d’un échangeur alimenté en eau chaude au départ d’une chaudière. La régulation se fait en agissant soit sur le débit d’eau (vanne deux voies, vanne trois voies en division), soit sur la température de l’eau (vanne trois voies en mélange) au départ d’une sonde placée dans la gaine de soufflage. La deuxième solution demande une pompe supplémentaire mais rend le réglage plus facile car la variation de puissance de la batterie est pratiquement proportionnelle à la température, tandis que dans le premier cas, la puissance échangée varie peu avec le débit lorsque celui-ci est proche du débit nominal et varie rapidement pour les faibles débits. Il faut en outre prévoir une sécurité antigel de la batterie forçant l’ouverture de la vanne, arrêtant la ventilation, fermant le clapet d’air neuf et enclenchant une alarme en fonction d’un thermostat situé après la batterie (alarme si la température de l’air pulsé chute sous 5°C).

Trois modes de régulation d’une batterie de préchauffe à eau chaude.

La solution de la résistance électrique est la plus simple, donc la moins chère à l’investissement. Par contre, elle conduit à un surcoût parfois important à l’exploitation.

Batteries électriques terminales.

Comparons le coût du préchauffage de l’air neuf avec une batterie à eau chaude et une résistance électrique pour un immeuble de bureaux de 50 personnes :

Type de préchauffage Batterie à eau chaude Résistance électrique
Débit d’air neuf. 1 500 [m³/h]
Durée de fonctionnement annuelle. 2 600 [h/an]
Température de soufflage. 16 [°C]
Consommation pour le préchauffage de l’air. 9 460 [kWh/an]
(rendement du système : 70 %).
6 620 [kWh/an]
(rendement du système : 100 %).
Coût du préchauffage. 588,4 [€/an]
(à 0,622 €/litre de fuel).
1059,2 [€/an]
(à 0,16 €/kWh).

Avec un gain de 500 €/an, le surcoût de la batterie à eau chaude raccordée à la chaudière existante peut rapidement être rentabilisé.

Calculs

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Remarque : utilisation d’une pompe à chaleur réversible ?

Une alternative à l’utilisation d’une batterie électrique consiste à placer un échangeur en détente directe : pompe à chaleur en hiver et machine frigorifique en été. Le fonctionnement d’une pompe à chaleur est certainement plus performant que celui d’une résistance directe. Et en période de forte chaleur, un air prérefroidi peut être distribué dans les locaux. Mais :

  • Un tel système ne se conçoit qu’au sein d’un caisson de préparation d’air centralisé,
  • une température de pulsion commune à l’ensemble des locaux devra être trouvée,
  • le risque est alors grand de « casser » de l’énergie (en mi-saison, réchauffer l’air neuf à 22°C et … refroidir le local où cet air est pulsé !),
  • idéalement, il faudrait pulser de l’air à 16°C en hiver et refroidir l’air uniquement lorsque la température extérieure dépasse 24°C. Ce n’est que dans ce cas que l’air frais extérieur pourra être valorisé (free cooling).

Ce qu’il ne faut jamais faire : régler la température de l’air pulsé à une température « neutre » de 20°C …


Récupération passive de la chaleur

Il est possible de préchauffer l’air neuf hygiénique par récupération de chaleur :

  • Sur une zone tampon du bâtiment. Par exemple, une prise d’air placée dans un atrium captera de l’air déjà préchauffé par le bâtiment et/ou le soleil.
  • Sur un puits canadien dans le sol pour capter l’énergie géothermique. Un chauffage de 5 à 10 degrés est possible en hiver, mais également, un refroidissement de 5 à 10 degrés est possible en été !

Récupérateur de chaleur

Une partie du préchauffage de l’air extérieur peut être repris par un récupérateur de chaleur entre l’air extrait et l’air pulsé (échangeur à plaques, rotatif, à eau glycolée, …). Par exemple, si la température intérieure est de 20°C et que la température extérieure est de 0°C, un récupérateur de chaleur peut amener la température de l’air neuf aux environs des 10°C.

En milieu hospitalier, pour une question d’hygiène et de contamination croisée, on évitera l’échangeur de chaleur où les airs extraits et d’admission empruntent le même gainage (échangeur à accumulation croisée par exemple).

La récupération de chaleur sur l’air extrait est une solution énergétiquement très intéressante. Elle permet de récupérer de 50 à 95 % (en fonction du type du récupérateur choisi) de l’énergie rejetée par l’extraction d’air.

Dans une installation existante, étant donné les coûts élevés d’achat et de placement d’un récupérateur, l’augmentation de la consommation des ventilateurs avec les pertes de charge supplémentaires, la rentabilité à court terme du placement d’un récupérateur peut être difficile, sauf

  • pour des débits élevés (plus de 10 000 m³/h),
  • avec un usage permanent de l’installation.

Dans une nouvelle installation, dans la mesure où la récupération de chaleur fait partie de la conception initiale, la puissance de chauffage pourra être réduite et le surcoût initial sera rapidement amorti.

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Calculs

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Il faut également tenir compte du fait que le récupérateur ne peut à lui tout seul reprendre l’entièreté des besoins en préchauffage :

  • Premièrement, parce qu’en plein hiver, la température de l’air neuf atteinte risque d’être insuffisante. Si on récupère 50 % de l’énergie rejetée, la température atteinte, par – 10°C extérieur, ne sera que de 5°C (pour une température de l’air rejeté de 20°C).
  • Ensuite parce que par grand froid, l’air rejeté, en cédant sa chaleur, risque de descendre en dessous de 0°C, entraînant des risques de givre sur la batterie d’échange. Pour éviter cela, une régulation du récupérateur (exemple : cas d’un échangeur à eau glycolée) est nécessaire, ralentissant l’échange lorsque la température de l’air rejeté descend trop, c’est-à-dire par grand froid et donc lorsque les besoins en préchauffage sont les plus importants.

Il est donc, la plupart du temps, nécessaire de doubler le récupérateur par une batterie de préchauffage traditionnelle.

Schéma sur récupérateur et une batterie de préchauffage traditionnelle.

Pour éviter la formation de glace sur l’échangeur du conduit d’air rejeté, un by-pass avec vanne trois voies limite le transfert de chaleur lorsque l’air rejeté se refroidit trop.


Récupération de chaleur sur le condenseur d’une machine frigorifique

Lorsque le bâtiment traité possède une installation frigorifique devant fonctionner même en hiver, on pourrait imaginer de récupérer la chaleur évacuée au niveau du condenseur pour préchauffer l’air neuf de ventilation.

Cette idée paraît intéressante, puisqu’il s’agirait en fait d’un transfert de chaleur des zones à refroidir vers les zones à chauffer.

Dans la pratique, cependant, cette récupération de chaleur ne semble pas forcément engendrer des économies d’énergie. En effet :

  • La température de condensation de la machine frigorifique ne permet pas de produire de l’eau à très haute température (aux environs de 40°C). Une batterie de préchauffage travaillant à cette température devra être surdimensionnée et présentera donc des pertes de charge supérieures, synonymes de consommations électriques supplémentaires. Augmenter la température de condensation de la machine frigorifique aurait également une conséquence néfaste car cela détériorerait l’efficacité frigorifique.
  • Souvent, en plein hiver, le fonctionnement de la machine frigorifique sera réduit, voire nul, alors que les besoins de préchauffage augmentent. Une batterie traditionnelle complémentaire sera donc nécessaire pour assurer un préchauffage correct à l’arrêt du condenseur. On se retrouve donc avec 2 batteries provoquant des pertes de charge importantes et permanentes.

Concevoir

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Sélection d’une batterie

Lors de la sélection d’une batterie à eau chaude, l’objectif « URE » est de minimiser sa perte de charge côté « air » et par là, la consommation du ventilateur.

Une batterie chaude est d’abord sélectionnée pour fournir la puissance désirée en fonction du régime de température d’eau souhaité.

Batteries à eau chaude.

Pour une même puissance fournie, plus le régime de température choisi pour le dimensionnement est bas, plus la batterie possédera un nombre de rangs important et donc plus sa perte de charge sera importante. Il est donc conseillé de dimensionner les batteries chaudes pour un régime de température de 90°/70° de manière à limiter au maximum ces pertes de charge. Une régulation de la température d’eau en fonction des conditions climatiques permet en outre de limiter les pertes de distribution (et de production) de l’eau chaude.

De même, il faut être conscient qu’un installateur essayera souvent de diminuer le coût de la batterie sans se soucier de la conséquence sur la consommation du ventilateur. Il faut donc être attentif à lui imposer de minimiser les pertes de charge côté air lors de la sélection.