Ventilation à récupération de chaleur

Articles randomisés pouvant vous intéresser :

La ventilation à récupération de chaleur (VRC), aussi appelée ventilation mécanique à récupération de chaleur (VCRM), est un système de ventilation à récupération d’énergie qui fonctionne entre deux sources à des températures différentes. La récupération de chaleur est une méthode de plus en plus utilisée pour réduire les besoins de chauffage et de refroidissement des bâtiments. En récupérant la chaleur résiduelle dans les gaz d’échappement, l’air frais introduit dans le système de climatisation est préchauffé (prérefroidi) et l’enthalpie de l’air frais est augmentée (réduite) avant que l’air frais entre dans la pièce ou que le refroidisseur d’air de l’unité de climatisation effectue un traitement thermique et d’humidité. Un système typique de récupération de chaleur dans les bâtiments se compose d’une unité centrale, de canaux pour l’air frais et l’air vicié et de ventilateurs soufflants. L’air vicié du bâtiment est utilisé soit comme source de chaleur, soit comme puits de chaleur, selon les conditions climatiques, la période de l’année et les besoins du bâtiment. Les systèmes de récupération de chaleur récupèrent généralement de 60 à 95 % de la chaleur de l’air évacué et ont considérablement amélioré l’efficacité énergétique des bâtiments.

Principe de fonctionnement

Un système de récupération de chaleur est conçu pour fournir de l’air conditionné à l’espace occupé afin de maintenir le niveau de confort désiré. Le système de récupération de chaleur maintient la maison entièrement ventilée en récupérant la chaleur qui provient de l’environnement intérieur. Le système de récupération de chaleur consiste essentiellement à transférer l’énergie thermique (enthalpie) d’un fluide à un autre fluide, d’un fluide à un solide ou d’une surface solide à un fluide, à différentes températures et en contact thermique. De plus, il n’y a pas d’interaction directe entre le fluide et le fluide ou entre le fluide et le solide dans la plupart des systèmes de récupération de chaleur. Dans certaines applications des systèmes de récupération de chaleur, des fuites de fluide sont observées en raison des différences de pression et cela provoque le mélange de deux fluides.

Roues thermiques rotatives

Les roues thermiques rotatives sont un moyen mécanique de récupération de chaleur. Une roue métallique poreuse rotative transfère l’énergie thermique d’un flux d’air à un autre en passant alternativement à travers chaque fluide. Le système fonctionne comme une masse de stockage thermique dans laquelle la chaleur de l’air est temporairement stockée dans la matrice de la roue jusqu’à ce qu’elle soit transférée dans le flux d’air plus frais.

Il existe deux types de roues thermiques rotatives, les roues thermiques et les roues enthalpiques (dessiccantes). Bien qu’il y ait une similitude géométrique entre la chaleur et les roues enthalpiques, il existe des différences qui affectent le fonctionnement de chaque conception. Dans un système utilisant une roue déshydratante, l’humidité du courant d’air ayant l’humidité relative la plus élevée est transférée au courant d’air opposé après passage dans la roue. Cela peut fonctionner dans les deux sens de l’air entrant pour évacuer l’air et de l’air sortant pour évacuer l’air entrant. L’air d’alimentation peut alors être utilisé directement ou être utilisé pour refroidir davantage l’air, il s’agit d’un processus énergivore.

Echangeurs de chaleur à plaques fixes

Les échangeurs de chaleur à plaques fixes sont le type d’échangeur de chaleur le plus couramment utilisé et ont été développés depuis 40 ans. Les plaques métalliques minces sont empilées avec un faible espacement entre les plaques. Deux courants d’air différents traversent ces espaces, adjacents l’un à l’autre. Le transfert de chaleur se produit lorsque la température passe d’un courant d’air à l’autre à travers la plaque. L’efficacité de ces appareils a montré des valeurs d’efficacité thermique sensible de 90 % pour le transfert de chaleur sensible d’un flux d’air à un autre. Les hauts niveaux d’efficacité sont attribués aux coefficients de transfert thermique élevés des matériaux utilisés, à la pression de service et à la plage de température.

Tubes à chaleur

Les caloducs sont des dispositifs de récupération de chaleur qui utilisent un procédé à phases multiples pour transférer la chaleur d’un courant d’air à un autre. La chaleur est transférée à l’aide d’un évaporateur et d’un condenseur à l’intérieur d’un tuyau étanche contenant un fluide qui subit un changement de phase constant pour transférer la chaleur. Le fluide à l’intérieur des tuyaux passe d’un fluide à un gaz dans la section de l’évaporateur, absorbant l’énergie thermique du courant d’air chaud. Le gaz se condense à nouveau en un fluide dans la section du condenseur où l’énergie thermique est dissipée dans le courant d’air plus froid qui augmente la température. Le fluide / gaz est transporté d’un côté du caloduc à l’autre par pression, force de mèche ou gravité, selon la disposition du caloduc.

Courir à droite et à gauche

Les systèmes de circulation sont des systèmes hybrides de récupération de chaleur qui incorporent les caractéristiques d’autres technologies de récupération de chaleur pour former un seul dispositif, capable de récupérer la chaleur d’un flux d’air et de la transmettre à un autre sur une distance importante. Dans le cas général de la récupération de la chaleur, deux échangeurs de chaleur à plaques fixes sont situés dans deux courants d’air séparés et sont reliés par une boucle fermée contenant un fluide qui est continuellement pompé entre les deux échangeurs de chaleur. Le fluide est chauffé et refroidi en permanence au fur et à mesure qu’il circule dans la boucle, ce qui permet de récupérer la chaleur. L’écoulement constant du fluide à travers la boucle exige que les pompes se déplacent entre les deux échangeurs de chaleur. Bien qu’il s’agisse d’une demande d’énergie supplémentaire, l’utilisation de pompes pour faire circuler le fluide consomme moins d’énergie que les ventilateurs pour faire circuler l’air.

Matériaux à changement de phase

Les matériaux à changement de phase, communément appelés PCM, sont une technologie utilisée pour stocker la chaleur sensible et latente dans une structure de bâtiment à une capacité de stockage supérieure à celle des matériaux de construction standard. Les PCM ont fait l’objet d’études approfondies en raison de leur capacité de stocker la chaleur et de transférer les demandes de chauffage et de climatisation des heures de pointe classiques aux heures creuses.

Le concept de masse thermique d’un bâtiment pour le stockage de la chaleur, selon lequel la structure physique du bâtiment absorbe la chaleur pour aider à refroidir l’air, a longtemps été compris et étudié. Une étude comparative des PCM par rapport aux matériaux de construction traditionnels a montré que la capacité de stockage thermique des PCM est douze fois supérieure à celle des matériaux de construction standard sur la même plage de températures. La chute de pression dans les PCM n’a pas été étudiée pour pouvoir commenter l’effet que le matériau peut avoir sur les courants d’air. Cependant, comme le PCM peut être incorporé directement dans la structure du bâtiment, cela n’affecterait pas le débit de la même manière que d’autres technologies d’échangeurs de chaleur, on peut suggérer qu’il n’y a pas de perte de pression créée par l’inclusion des PCM dans le tissu du bâtiment.

Applications

Roue thermique rotative

O’Connor et al. ont étudié l’effet d’une roue thermique rotative sur les débits d’air d’alimentation dans un bâtiment. Un modèle de calcul a été créé pour simuler les effets d’une roue thermique rotative sur les débits d’air lorsqu’elle est incorporée dans un système de tour éolienne commerciale. La simulation a été validée au moyen d’une expérience sur maquette à l’échelle dans une soufflerie subsonique en boucle fermée. Les données obtenues lors des deux essais ont été comparées afin d’analyser les débits. Bien que les débits aient été réduits par rapport à une tour éolienne qui ne comportait pas de roue thermique rotative, les taux de ventilation recommandés pour les occupants d’une école ou d’un immeuble de bureaux ont été respectés au-dessus d’une vitesse du vent extérieur de 3 m/s, ce qui est inférieur à la vitesse moyenne du vent au Royaume-Uni (4-5 m/s).

Aucune donnée expérimentale ou d’essai sur le terrain à grande échelle n’a été effectuée dans le cadre de cette étude ; par conséquent, il n’est pas possible de prouver de façon concluante que les roues thermiques rotatives peuvent être intégrées dans un système commercial à tour éolienne. Cependant, malgré la diminution des débits d’air à l’intérieur du bâtiment après l’introduction de la roue thermique rotative, la réduction n’a pas été suffisamment importante pour empêcher le respect des débits de ventilation prévus par les directives. Il n’y a pas encore eu suffisamment de recherches pour déterminer si les roues thermiques rotatives conviennent à la ventilation naturelle, les débits d’alimentation de ventilation peuvent être respectés, mais les capacités thermiques de la roue thermique rotative n’ont pas encore été étudiées. D’autres travaux permettraient de mieux comprendre le système.

Echangeurs de chaleur à plaques fixes

Mardiana et al. ont intégré un échangeur de chaleur à plaques fixes dans une tour éolienne commerciale, soulignant les avantages de ce type de système comme moyen de ventilation sans énergie qui peut être simplement modifié. Des essais en laboratoire à grande échelle ont été entrepris afin de déterminer les effets et l’efficacité du système combiné. Une tour éolienne a été intégrée à un échangeur de chaleur à plaques fixe et a été montée au centre d’une salle d’essai étanche.

Les résultats de cette étude indiquent que la combinaison d’un système de ventilation passive à tour éolienne et d’un dispositif de récupération de chaleur à plaques fixes pourrait fournir une technologie combinée efficace pour récupérer la chaleur résiduelle de l’air évacué et de l’air chaud frais entrant avec une demande énergétique nulle. Bien qu’aucune donnée quantitative sur les taux de ventilation dans la salle d’essai n’ait été fournie, on peut supposer qu’en raison de la perte de pression élevée dans l’échangeur de chaleur, ceux-ci ont été considérablement réduits par rapport au fonctionnement standard d’une tour éolienne. Il est essentiel d’étudier plus à fond cette combinaison de technologies pour comprendre les caractéristiques du débit d’air du système.

Tubes à chaleur

En raison de la faible perte de pression des systèmes de caloducs, plus de recherches ont été menées sur l’intégration de cette technologie dans la ventilation passive que dans les autres systèmes de récupération de chaleur. Les tours éoliennes commerciales ont de nouveau été utilisées comme système de ventilation passive pour intégrer cette technologie de récupération de chaleur. Cela renforce encore l’idée que les tours éoliennes commerciales constituent une alternative intéressante à la ventilation mécanique, capable de fournir et d’évacuer de l’air en même temps.

Systèmes de contournement

Flaga-Maryanczyk et al. ont mené une étude en Suède qui a examiné un système de ventilation passive qui intégrait un système de contournement utilisant une pompe à chaleur géothermique comme source de chaleur pour chauffer l’air entrant. Des mesures expérimentales et des données météorologiques ont été prises dans la maison passive utilisée dans l’étude. Un modèle CFD de la maison passive a été créé avec les mesures prises par les capteurs et la station météorologique utilisée comme données d’entrée. Le modèle a été utilisé pour calculer l’efficacité du système de contournement et les capacités de la pompe à chaleur géothermique.

Les pompes à chaleur géothermique fournissent une source fiable d’énergie thermique constante lorsqu’elles sont enterrées à 10-20 m sous la surface du sol. La température du sol est plus chaude que celle de l’air ambiant en hiver et plus fraîche que celle de l’air ambiant en été, ce qui constitue à la fois une source de chaleur et un puits de chaleur. On a constaté qu’en février, mois le plus froid du climat, la thermopompe géothermique était capable de répondre à près de 25 % des besoins de chauffage de la maison et des occupants.

Matériaux à changement de phase

La majeure partie de l’intérêt de la recherche sur les PCM est l’application de l’intégration de matériaux à changement de phase dans les matériaux de construction poreux traditionnels tels que le béton et les panneaux muraux. Kosny et al. ont analysé la performance thermique des bâtiments dont la structure contient des matériaux de construction améliorés par la méthode PCM. L’analyse a montré que l’ajout de PCM est bénéfique en termes d’amélioration de la performance thermique.

Un inconvénient important de l’utilisation de PCM dans un système de ventilation passive pour la récupération de chaleur est l’absence de transfert instantané de chaleur entre différents courants d’air. Les matériaux à changement de phase sont une technologie de stockage de chaleur, par laquelle la chaleur est stockée dans le PCM jusqu’à ce que la température de l’air soit tombée à un niveau significatif où elle peut être relâchée dans le flux d’air. Aucune recherche n’a été menée sur l’utilisation des PCM entre deux courants d’air de température différente où un transfert de chaleur continu et instantané peut se produire. Une étude dans ce domaine serait bénéfique pour la recherche sur la récupération de chaleur par ventilation passive.

Avantages et inconvénients

Type de VRC Avantages Inconvénients Paramètres de performance Rendement % d’efficacité Perte de charge (Pa) Contrôle de l’humidité
Roue thermique rotative Rendement élevé

Récupération de chaleur sensible et latente

Conception compacte

Contrôle du gel disponible

Contamination croisée possible Nécessite des courants d’air adjacents

Entraînement mécanique, nécessitant un apport d’énergie

Vitesse de rotation

Vitesse de l’air

Porosité de la roue

80+ 4-45 Oui
Plaque fixe Pas de pièces mobiles donc grande fiabilité

Coefficient de transfert thermique élevé

Pas de contamination croisée

Contrôle du gel possible

Récupération de chaleur sensible et latente

Perte de charge élevée dans l’échangeur

Limité à deux courants d’air distincts

Accumulation de condensation

Le givre s’accumule dans les climats froids

Type d’article

Pressute d’exploitation

Température

Dispositif d’écoulement

70-90 7-30 Oui
Tubes à chaleur Pas de pièces mobiles, haute fiabilité

Pas de contamination croisée

Faible perte de charge

Conception compacte

Récupération de chaleur possible dans deux directions

Nécessite des courants d’air proches

Le fluide interne doit correspondre aux conditions climatiques locales

Type de fluide

Temps de contact

Arrangement/configuration

Structure

80 1-5 Non
Courir à droite et à gauche Les courants d’air peuvent être séparés

Pas de contamination croisée

Faible perte de charge

Sources multiples de récupération de chaleur

Pompes multiples nécessaires pour déplacer le fluide

Difficile à intégrer dans les structures existantes

Faible efficacité

Coût

Type d’échangeur

Type de fluide

Source de chaleur

50-80 ~1 Non
Matériaux à changement de phase Intégration facile dans les matériaux de construction

Demande d’énergie de pointe compensée

Pas de perte de pression

Pas de contamination croisée

Pas de pièces mobiles

Longue durée de vie

Stockage thermique par opposition au transfert instantané

Coûteux

Technologie non éprouvée

Difficulté à choisir le matériau approprié

Méthode d’imprégnation ~ 0 Non

Impacts sur l’environnement

L’économie d’énergie est l’un des enjeux clés de la consommation de combustibles fossiles et de la protection de l’environnement mondial. L’augmentation du coût de l’énergie et le réchauffement climatique ont souligné que le développement de systèmes énergétiques améliorés est nécessaire pour accroître l’efficacité énergétique tout en réduisant les émissions de gaz à effet de serre. La façon la plus efficace de réduire la demande d’énergie est d’utiliser l’énergie plus efficacement. Par conséquent, la récupération de la chaleur perdue devient de plus en plus populaire ces dernières années puisqu’elle améliore l’efficacité énergétique. Environ 26 % de l’énergie industrielle est encore gaspillée sous forme de gaz ou de fluide chaud dans de nombreux pays. Cependant, au cours des deux dernières décennies, on a accordé une attention remarquable à la récupération de la chaleur résiduelle provenant de diverses industries et à l’optimisation des unités utilisées pour absorber la chaleur des gaz résiduaires. Ainsi, ces tentatives renforcent la réduction du réchauffement de la planète ainsi que de la demande d’énergie.

Consommation d’énergie

Dans la plupart des pays industrialisés, le chauffage, la ventilation et la climatisation représentent un tiers de la consommation totale d’énergie. De plus, le refroidissement et la déshumidification de l’air frais de ventilation représentent 20 à 40 % de la charge énergétique totale du chauffage, de la ventilation et de la climatisation dans les régions climatiques chaudes et humides. Toutefois, ce pourcentage peut être plus élevé lorsque 100 % de ventilation d’air frais est nécessaire. Cela signifie qu’il faut plus d’énergie pour répondre aux besoins en air frais des occupants. La récupération de chaleur devient une nécessité en raison d’un coût énergétique croissant pour le traitement de l’air frais. L’objectif principal des systèmes de récupération de chaleur est de réduire la consommation d’énergie des bâtiments pour le chauffage, le refroidissement et la ventilation en récupérant la chaleur perdue. À cet égard, des systèmes de récupération de chaleur autonomes ou combinés peuvent être incorporés dans les bâtiments résidentiels ou commerciaux pour économiser l’énergie. La réduction des niveaux de consommation d’énergie peut également contribuer notablement à réduire les émissions de gaz à effet de serre pour un monde durable.

Gaz à effet de serre

Le CO2, le N2O et le CH4 sont des gaz à effet de serre courants et le CO2 est le principal responsable du changement climatique. C’est pourquoi les émissions de gaz à effet de serre sont souvent désignées comme des émissions équivalentes de CO2. Les émissions mondiales totales de gaz à effet de serre ont augmenté de 12,7 % entre 2000 et 2005. En 2005, environ 8,3 Gt CO2 ont été émis par le secteur du bâtiment. De plus, les bâtiments sont responsables de plus de 30% des émissions de gaz à effet de serre chaque année dans la plupart des pays développés. Selon une autre étude, les bâtiments dans les pays de l’Union européenne sont responsables d’environ 50% des émissions de CO2 dans l’atmosphère. Il est possible de réduire les émissions de gaz à effet de serre de 70 % par rapport aux niveaux attendus en 2030 si les mesures appropriées sont prises. L’augmentation des émissions de gaz à effet de serre due à la forte demande d’énergie est considérée comme un réchauffement climatique. Cet égard, l’atténuation des émissions de gaz dans l’atmosphère est l’un des problèmes les plus cruciaux du monde d’aujourd’hui qui doit être résolu. Les systèmes de récupération de chaleur ont un potentiel remarquable de contribution à la réduction des émissions de gaz à effet de serre. La Scotch Whisky Association a réalisé un projet à la distillerie Glenmorangie pour récupérer la chaleur latente des nouveaux alambics de lavage afin de chauffer d’autres eaux de traitement. Ils ont découvert que 175 tonnes de CO2 par an seront économisées avec une période de récupération de moins d’un an. Dans un autre rapport, il est souligné que 10 MW de chaleur récupérée peuvent être utilisés pour économiser 350 000 € par an en coûts d’émission. La loi britannique de 2008 sur le changement climatique vise une réduction de 34 % des émissions de gaz à effet de serre d’ici 2020 par rapport aux niveaux de 1990 et une réduction de 80 % d’ici 2050. Ils soulignent le potentiel et l’importance notables des technologies de récupération de la chaleur pour atteindre cet objectif.

Laisser votre commentaire

six − 1 =