Échangeur à régénération


Principe

Le principe général des récupérateurs par accumulation ou encore appelé récupérateurs à régénération est de récupérer la chaleur contenue dans l’air extrait en faisant transiter cet air au travers d’un matériau accumulateur. Ce matériau accumulateur est ensuite soumis au flux d’air neuf et lui cède sa chaleur.

Le matériau accumulateur peut être imprégné ou non d’un produit hygroscopique de manière à permettre les échanges tant de chaleur sensible que d’humidité.

Il existe plusieurs types de récupérateur applicant cette technique.

Les roues

Photo roues.

Échangeur rotatif.

Un matériau accumulateur cylindrique en rotation lente (de 5 à 20 tours/min) est traversé dans une direction par l’air rejeté et dans l’autre par l’air neuf. Il se compose d’un média de transfert en aluminium, acier inoxydable ou matériau synthétique formant de très nombreux petits canaux.

Le matériau accumulateur est alternativement traversé par l’air chaud rejeté où il se charge d’énergie, et l’air neuf froid où il se décharge. En vue d’éviter le mélange d’air neuf et d’air rejeté, il est prévu un secteur de nettoyage dans lequel l’air rejeté est chassé par l’air neuf. Une légère contamination est toutefois inévitable. Dans certains cas, le transfert d’humidité est aussi à l’origine de transferts d’odeurs ou de germes et ceci limite l’emploi de tels échangeurs.

Schéma principe roues.

Une faible consommation d’énergie électrique est nécessaire pour entraîner la rotation de la roue. Les pertes de charge sont assez faibles.

Les écoulements aérauliques d’air neuf et d’air repris doivent être disposés de telle façon que la circulation de l’air s’effectue à contre-courant. Sinon, étant donné la très fine structure du matériau accumulateur, le rotor pourrait s’encrasser très rapidement, tout particulièrement sur la face avant.

Par contre, un écoulement des veines d’air à contre-courant permet ce qu’on appelle un effet d’auto-nettoyage car toute poussière qui se serait déposée sur la face avant de chacune des moitiés du rotor (donc en amont de l’échangeur tant sur l’air neuf que sur l’air repris) serait délogée dans l’autre moitié du rotor puisque l’air y circule dans l’autre sens. C’est pourquoi, en règle générale, on ne prévoit pas de filtre en amont d’un échangeur rotatif et ce tant sur l’air neuf que sur l’air repris.

Par ailleurs, il est à signaler que la fine structure du matériau accumulateur du rotor l’oblige à tourner sans arrêt (à la vitesse minimale) ou tout au moins par intermittence même en période où l’on ne souhaite pas de récupération de chaleur ou de froid et ce afin d’éviter tout risque de colmatage par encrassement des petits canaux du matériau accumulateur.

Les régénérateurs statiques à clapet unique

Dans un régénérateur statique à clapet, le trajet de l’air est modifié par un clapet pour que le medium accumulateur soit alternativement traversé par l’air neuf et l’air recyclé.

Cycle de fonctionnement d’un régénérateur statique à clapet unique.

Par rapport à la roue, ce système présente 2 inconvénients au moment du basculement du clapet :

  • Les ventilateurs de pulsion et d’extraction se retrouvent durant un cours instant en série, créant des perturbations aérauliques.
  • La contamination peut être importante. Elle sera fonction de la distance qui sépare le récupérateur de la grille extérieure d’extraction. En effet, au moment de basculement, l’entièreté de l’air vicié contenu dans ce tronçon va être emporté avec l’air neuf.

Les régénérateurs statiques à volets

Le principe de fonctionnement de ces régénérateurs est identique au régénérateur à clapet unique, à la différence près que le jeu des volets permet de limiter le risque de contamination. La quantité d’air vicié entraîné dans l’air neuf au basculement des volets ne correspond plus qu’au contenu du récupérateur, soit environ 3 % de l’air pulsé.

Cycle de basculement des volets : environ toutes les minutes.


Facteur influençant le rendement

Prenons un exemple de roue :

Soit un débit de 15 000 m³/h (4,2 m³/s) pour un modèle de roue type 240 et un rapport Volume Air neuf / Volume air vicié de 1, le graphique du constructeur fournit un rendement de 80 %. soit le diagramme suivant fourni par le constructeur :

Courbe de rendement.

Le 2ème graphe permet également de calculer la température de sortie air neuf (t2).

Pour une température d’air rejeté t= 22°C et d’air neuf t= – 10°C (t– t= 32°C), on trouve t= 17°C.

Dans le graphe ci-dessous on peut percevoir l’influence de la vitesse de rotation de la roue sur le rendement de l’échange.

Influence de la vitesse de rotation de la roue sur le rendement.

Les rendements d’échange sont généralement très élevés; ils sont essentiellement fonction de :
  • la nature du matériau accumulateur,
  • la vitesse de l’air et de la vitesse de rotation de la roue ou de basculement, ces deux dernières variables déterminant le temps de passage de l’air dans l’échangeur.

> l’efficacité thermique se situe généralement entre 75 – 95 %.


Avantages – Désavantages

Avantages

  • Dépendant du média de transfert choisi, l’énergie sensible et l’humidité peuvent être transférées, ce qui permet de diminuer la taille de l’humidificateur éventuel,
  • rendement très élevé (de 75 à 95%),
  • perte de charge relativement faible en comparaison de l’efficacité,
  • faible encombrement pour la roue,
  • fonctionnement été possible dans le cas de matériau hygroscopique,
  • pas d’évacuation de condensats,
  • encrassement et givrage limité du fait de l’inversion régulière du sens des flux d’air (la filtration reste cependant obligatoire).

Désavantages

  • Contamination de l’air neuf possible, principalement avec les régénérateurs statiques à clapet unique.
  • amenée et évacuation d’air doivent être adjacentes,
  • consommation d’énergie pour l’entraînement de la roue,
  • nécessité de l’entretien du système d’entraînement,
  • dans les roues la section de purge qui limite la contamination réduit l’efficacité de récupération,
  • le rendement est influencé par les positions relatives de l’échangeur de récupération et des ventilateurs de pulsion et de reprise.

Régulation

En demi-saison

Un système de régulation est nécessaire 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.

Lorsqu’en demi-saison il y a apparition de charges qui nécessitent de souffler dans les locaux de l’air plus froid que la température ambiante de consigne il est alors nécessaire de pouvoir réguler la puissance de l’échangeur de chaleur grâce à une variation de vitesse de rotation de la roue ou un by-pass du régénérateur.

En hiver

Dans les récupérateurs à batteries (échangeurs à plaques, à eau glycolée), 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.

Dans les récupérateurs par accumulation, on peut partir de la règle empirique suivant laquelle il n’y a risque de gel que lorsque la moyenne des températures de l’air neuf et de l’air repris tombe en dessous de 0 °C et que, simultanément, il y a excès d’humidité dans l’accumulateur, c’est-à-dire que l’humidité qui s’est condensée côté air repris n’a pas pu être entièrement absorbée par l’air neuf.

Dans le cas contraire, le risque d’accumulation de givre du côté de l’air extrait est minime puisqu’à chaque cycle, ce côté est réchauffé. Ceci permet de profiter de la pleine puissance de récupération même pour des températures hivernales extrêmes et de tenir compte de cette puissance dans le dimensionnement des batteries de chauffage et des chaudières.

Dans certains cas particuliers (fonctionnement nocturne, faible température ambiante, rapport débit air neuf/air repris défavorable), il faut s’en remettre à l’expérience du fabricant. S’il y a risque de gel de l’échangeur, la solution consiste là aussi à faire varier la vitesse de rotation de la roue ou à by-passer l’accumulateur. Lorsqu’on diminue la puissance de récupération de la roue en hiver, la batterie de chauffage se trouvant après le récupérateur doit être dimensionnée 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 rotatif

v

1 État des surfaces d’échange (nettoyage régulier)

X

Contrôle des éventuelles fuites d’air
fuites externes

X

fuites internes

X

fuites par turbulences

X

fuites au niveau du clapet de by-pass

X

3 – Contrôle de la régulation
régulation de la vitesse de rotation

X

régulation du / des clapets de by-pass

X

régulation antigel

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 rotatif à régénération, on déduit du catalogue du constructeur :

  • le choix d’une roue sélectionnée au point de vue prix, dans sa configuration la plus chère, c.-à-d. avec caisson de visite en amont et en aval ainsi qu’avec sa régulation de vitesse,
  • le fonctionnement dans les conditions extrêmes :

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

On constate que l’air extrait donne chaleur et humidité à l’air neuf qui voit sa température augmenter ainsi que son taux d’humidité absolue.

  • l’efficacité thermique instantanée :

ε= t– t/ t– t= (14,3 – (- 10)) / (22 – (- 10)) = 0,76 = 76 %

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 76 % de l’écart maximal entre les fluides, soit 0.76 x 32° = 24,3°.

Remarque : cette fois, le rendement thermique (rapport des enthalpies) donnerait une valeur identique :

η = h– h/ h– h= (29,5 – (- 6,5)) / (41 – (- 6,5)) = 0,76 = 76 %

Ceci montre que 76 % de l’énergie latente à été transférée simultanément aux 76 % de transfert d’énergie sensible).

La puissance maximale récupérée doit être estimée par le bilan enthalpique :

Pmax. réc. = 0,34 [W/(m³/h).°C] x 21 000 [m³/h] x (29,5 – (- 6,5)) = 251 [kW]

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

Si l’humidification de l’air est réalisée via une pulvérisation d’eau froide, une réduction de la puissance de la chaudière à installer de 251 kW est à prévoir. Si par contre l’humidification est réalisée par pulvérisation de vapeur, la chaudière sera diminuée de la puissance sensible (170 kW) et le système de production de vapeur sera réduit de la puissance latente (81 kW).

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

Pmoy. réc. = 251 [kW] x (22° – (8°)) / (22° – (- 10°)) = 110 [kW]

Cela entraîne une économie thermique de :

Eréc = 110 [kW] x 10 [h/j] x 5 [j/sem] x 35 [sem] / 0,8 = 240 370 [kWh]

Le facteur 0.8 correspond au rendement saisonnier de la production de chaleur pour une installation nouvelle et 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, les puissances des ventilateurs sont modifiées comme suit :

Avant Après
GE GP GE GP
2,2 kW 5,2 kW 3,7 kW 6,2 kW

Ce à quoi il faut ajouter une puissance de 0,2 kW pour le moteur de la roue.


Visualisation de la récupération de la chaleur latente

Le diagramme ci-dessous fournit cette fois la courbe des fréquences cumulées des enthalpies tout au long d’une année. C’est le même principe que pour la courbe cumulée des températures mais cette fois-ci on pense en terme d’enthalpie pour tenir compte de l’énergie totale (latente + sensible).

On peut y lire le travail réalisé par un récupérateur de type « roue », dont l’efficacité a été choisie à 75 % (valeur maximale). L’air neuf est pulsé en permanence à 16° – 55 % HR, tandis que l’air vicié est extrait à 18° – 60 % HR.

Le « travail » du récupérateur y est visualisé, en hiver comme en été, et on peut y repérer également la régulation de la vitesse de rotation de la roue : pour ne pas entraîner de surchauffe en mi-saison, la roue est ralentie. En été, dès que l’enthalpie de l’air extrait devient inférieure à celle de l’air extérieur, la roue est remise à la vitesse maximale.

Exemple de fonctionnement d’un échangeur rotatif (Courbes d’enthalpies).