Rendement d'un récupérateur de chaleur

Echangeur à plaques.

Définition du rendement d’un récupérateur

Le rendement thermique

Le rendement thermique représente la proportion de l’énergie de ventilation que le système permet de récupérer. C’est le rapport du transfert réel de chaleur sur le transfert maximum possible.

  • 1 : entrée d’air neuf
  • 2 : pulsion d’air neuf
  • 3 : extraction d’air vicié
  • 4 : sortie d’air vicié

En général, le rendement est rapporté au débit d’air neuf. Le rendement est dit total parce qu’il concerne l’énergie sensible et latente, il est donc basé sur le rapport des enthalpies.

h = (Man x (h2 – h1)) / (Mmin x (h3 – h1))

  • h = rendement thermique total,
  • h = enthalpie en KJ/kgK,
  • Man = débit massique d’air neuf,
  • Mav = débit massique d’air vicié,
  • Mmin = débit massique minimum entre Man et Mav.

On passe du débit volumique Q (que l’on pourra mesurer) au débit massique M en multipliant par la masse volumique ρ qui vaut environ 1,2 kg/m³ à 20°C.

Pour tous les types de récupérateurs sauf pour la roue hygroscopique, il n’y a pas de transfert de vapeur d’eau entre l’air neuf et l’air vicié.

La montée en température de l’air neuf se fait à humidité constante, et physiquement le point 2 ne pourra donc au maximum qu’atteindre le point 2′ (t2‘ = t3).

Evolution des caractéristiques de l’air neuf et de l’air vicié dans un récupérateur de chaleur. 1 : entrée d’air neuf, 2 : pulsion d’air neuf, 3 : extraction d’air vicié, 4 : sortie d’air vicié, 2′ : pulsion d’air neuf dans le cas d’une récupération de chaleur totale

L’efficacité thermique

Il peut arriver que l’on remplace la notion de rendement par celle d’efficacité thermique.

Elle est basée sur le rapport des températures.

On a donc :

ε   = (qan x (t2 – t1)) / (qmin x (t3 – t1))

  • ε = efficacité thermique,
  • t = température de l’air,
  • qan = débit massique d’air neuf,
  • qav = débit massique d’air vicié,
  • qmin = débit massique minimum entre Qan et Qav.

Et si les débits d’air neuf et d’air vicié sont identiques, l’expression devient :

ε   = (t2 – t1) / (t3 – t1)

L’économie d’énergie relative

C’est le rapport entre l’énergie économisée par rapport à l’énergie totale fournie à l’air qui transite dans le système de ventilation. Il montre clairement l’impact du récupérateur sur la diminution de la puissance du chauffage.

Ee = (t2 – t1) / (tpulsion – t1) = Qrec / (Qrec + Qapp)

  • Q = énergie fournie par le récupérateur à l’air neuf,
  • tpulsion = température de pulsions de l’air dans le local.

Apports de chaleur nécessaires à l’air neuf pour l’amener à la température de pulsion.

Facteurs influençant le rendement

Les paramètres qui caractérisent un récupérateur sont :

  • la nature du récupérateur et de ses composants (matériaux mis en œuvre, géométrie de l’échangeur (surface, ailettes, …);
  • la vitesse de passage de l’air;
  • les débits respectifs de l’air neuf et de l’air vicié;
  • la chaleur latente de l’air extrait.

Ces paramètres influencent le rendement dont la valeur est généralement donnée par le constructeur.

On notera que d’une manière générale, le rendement d’un échangeur augmente avec :

  • L’augmentation de la surface d’échange : Ce paramètre augmente cependant le coût du système et a aussi tendance à augmenter les pertes de charge et donc le coût des auxiliaires (consommation électrique des ventilateurs de déplacement), il y a donc un optimum à chercher.
  • La diminution de la vitesse de passage des fluides
  • L’augmentation de la différence de température entre les deux fluides : Ce paramètre aura peu d’effet dans le cas d’un système de ventilation, la plage de température étant très limitée (de – 15°C à + 35°C)
  • L’augmentation du débit d’air vicié (donc d’air chaud) par rapport au débit d’air neuf (donc d’air froid)

Attention, si le bâtiment est mis en surpression, c’est au contraire le débit d’air neuf qui est supérieur au débit d’air vicié.

On notera que, vu la faible plage de variations des températures, le coefficient d’échange d’un récupérateur donné peut être considéré comme constant.

En conséquence, pour un récupérateur de surface d’échange A et dont les débits de fluide sont fixes (ce qui sera généralement le cas en récupération), le rendement est indépendant des températures d’entrée de l’air neuf et de l’air rejeté. Il est donc sensiblement constant.