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FASCICULE TECHNIQUE FASCICULE TECHNIQUE D G T R E en ventilation et conditionne

FASCICULE TECHNIQUE FASCICULE TECHNIQUE D G T R E en ventilation et conditionnement d’air LES RÉCUPÉRATEURS DE CHALEUR SOMMAIRE 1 LE DIAGNOSTIC DE L’INSTALLATION.................................................................................................................................2 A. QUELLE EST LA QUANTITE D’ENERGIE RECUPERABLE ..........................................................................................2 B. LES DIFFERENTES EXPRESSIONS DU RENDEMENT................................................................................................8 C. QUELS SONT LES ELEMENTS FAVORABLES AU PLACEMENT D’UN RECUPERATEUR ?.........................................10 LE PROJET DE RECUPERATION.......................................................................................................................................11 A. LES CRITERES DE CHOIX.......................................................................................................................................11 B. LES SYSTEMES DE RECUPERATION DE CHALEUR ................................................................................................14 B.0. Le recyclage de l’air..................................................................................................................................14 B.1. La boucle à eau glycolée...........................................................................................................................15 B.2. L’échangeur à plaques...............................................................................................................................20 B.3. Le caloduc (Heat-pipe) ..............................................................................................................................24 B.4. L’échangeur rotatif à régénération..............................................................................................................27 B5. Pompe à chaleur (Pour information) .........................................................................................................32 C. LA REGULATION DU RECUPERATEUR....................................................................................................................32 D. SYNTHESE..............................................................................................................................................................34 Critères pour la sélection grossière d’un système..................................................................................................36 LA RENTABILITE DU PLACEMENT D’UN RECUPERATEUR...............................................................................................37 LA MAINTENANCE DU SYSTEME......................................................................................................................................41 LE PROGRAMME DE MAINTENANCE...........................................................................................................................41 LES CONCLUSIONS ..........................................................................................................................................................42 BIBLIOGRAPHIE................................................................................................................................................................43 ANNEXE 1 • Données météorologiques ............................................................................................................................44 ANNEXE 2 • Exemple de calcul de récupération annuel ...................................................................................................46 SOMMAIRE L’OBJECTIF DE LA PRÉSENTE BROCHURE EST D’ÉVALUER L’INTÉRÊT DU PLACEMENT D’UN RÉCUPÉRATEUR D’ÉNERGIE SUR L’AIR EXTRAIT D’UNE INSTALLATION DE VENTILATION OU DE CONDITIONNEMENT D’AIR. LE DIAGNOSTIC DE L’INSTALLATION 2 LE DIAGNOSTIC DE L’INSTALLATION I Quel est l’intérêt financier du placement d’un récupérateur de chaleur sur la ventilation d’un immeuble ? Une récupération de plus de 50% du budget de chauffage de l’air de ventilation est aisément réalisable. A.QUELLE EST LA QUANTITE D’ENERGIE RECUPERABLE ? Dans une installation de ventilation ou de traitem ent d’air, chaque heure, une quantité représentant plusieurs fois le volum e d’air des locaux est m is en circulation. Cet air, après avoir été porté à la tem pérature de confort, est rejeté à l’extérieur alors qu’il a un niveau énergétique supérieur à l’air extérieur que l’on introduit. On parle d’une enthalpie (un contenu en chaleur) plus im portant que l’air extérieur. Dans le cadre de l’utilisation rationnelle de l’énergie, l’idée de transférer cette chaleur de l’air extrait vers l’air neuf a donc été explorée. I Mais, quel est le potentiel de récupération ? > 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, en m oyenne saisonnière. Par sim plification, prenons les valeurs m oyennes des caractéristiques de l’air : • la quantité de chaleur Q contenue dans 1 m 3 d’air est égale au produit de la chaleur volum ique de l’air (0,34W h/m 3.K ) par l’écart de tem pérature en degrés. Q = 1m3 x 0,34 Wh/m3.K x 16 K = 5,44 Wh • on peut aussi écrire que la quantité de chaleur Q est égale au produit de la m asse du m 3 d’air (1,2 kg) par la chaleur m assique de l’air (Cp= 1 kJ/kg.K) et par l’écart de tem pérature en degrés. Q = 1,2 kg x 1 kJ/kg.K x 16 K = 19,2 kJ Ces deux expressions sont identiques (aux arrondis prêt) puisque 1 W h = 3,6 kJ • si l’on prend en com pte l’hum idité présente dans l’air et la chaleur contenue dans cette eau à l’état vapeur , on com pare alors l’enthalpie de 43 kJ contenue dans 1 kg d’air extrait à 22°C et 50% d’hum idité relative, à celle de 19,1 kJ contenue dans un kg d’air extérieur à 6°C et 90% d’hum idité relative: Q = 1,2 kg x (43 - 19,1) kJ/kg = 28,7 kJ LE DIAGNOSTIC DE L’INSTALLATION 3 I On constate donc que l’énergie perdue est proportionnelle à l’écart de température et au taux d’humidité: • plus l’air rejeté est chaud, • plus l’air rejeté est humide, • 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 10.000m 3/h. Supposons que cet air de ventilation doit être sim plem ent chauffé (pas de contrôle d’hum idité). Ce groupe rejettera donc toutes les heures un potentiel énergétique Q t de: 5,44 x 10.000 = 54.400 W h = 54,4kW h Si le chauffage de l’air est assuré par une installation au m azout dont le rendem ent global saisonnier est de 75% , cela représente un équivalent com bustible calculé par la form ule: Qt V fuel = PCI fuel x Rendem ent ( où PCI fuel = Pouvoir Calorifique Inférieur du fuel = 10 kW h / litre ) 54 kW h ¡ V fuel = = 7,2 litres de m azout par heure 10 kW h / litre x 0,75 En plaçant sur le flux d’air rejeté un récupérateur dont le rendem ent (la fraction de l’énergie récupérée) est de 50% , l’économ ie serait de 3,6l de m azout par heure, soit, si le m azout est à 8 Fb/l, environ 29 Fb de l’heure ... ! Installation sans récupération Installation avec récupération LE DIAGNOSTIC DE L’INSTALLATION 4 > Calculons l’énergie rejetée en une année par ce groupe de ventilation. Le calcul précédent, étendu à toutes les tem pératures extérieures et à toute la période de fonctionnem ent, débouche sur l’éco - nom ie annuelle. De ce qui a été vu précédem m ent, on peut conclure que la quantité d’énergie rejetée sera essentiellem ent fonction de la diffé- rence de tem pératureet du tem ps de fonctionnem ent de la ventilation, les autres grandeurs pouvant être considérées com m e constantes. Cependant, la différence de tem pérature varie avec la saison et le tem ps de fonctionnem ent est lié à l’occupation. Dès lors, pour intégrer ces deux param ètres, on introduit les notions de: • facteur d’utilisation F u : qui représente la fraction du nom bre d’heures d’utilisation sur la durée de la saison de fonctionnem ent ¡ par exem ple, pour un im m euble de bureaux, 10h par jour, 5jours sur 7 pendant les 8m ois de la saison de chauffe représentent 10 h x 5 j x 35 sem . = 1750 h. sur une période totale de 24 h x 7 j x 35 sem . : 5880 h., soit un Fu de: 1750h / 5880h = 0.298 • degrés-heures de récupération Dh: qui représente la som m e cum ulée des écarts entre la tem pérature extérieure et une tem pérature de référence, à chaque heure de la saison de chauffe (voir annexe 1). ¡ par exem ple pour Uccle et une tem pérature d’extraction de 20°C, c’est l’aire entre l’isotherm e 20°C et la courbe de fréquence cum ulée des tem pératures extérieures. Elle totalise 89.248degrés-heures. Le potentiel annuel pourra dès lors être calculé, en prem ière approxim ation, par la form ule suivante: Vfa = Fu * Dh * K * ηréc. / ηinst avec V fa :nb. de litre de m azout ou m 3 de gaz économ isé par m 3/h d’air et par an ηrécupérateur : rendem ent m oyen du récupérateur ηinstallation : rendem ent m oyen de l’installation de production de chaleur K = 3,17 10 -5 litres m azout/m 3.K pour une installation au fuel = 3,19 10 -5m 3 gaz/m 3.K pour une installation au gaz degrés-heures de récupération LE DIAGNOSTIC DE L’INSTALLATION 5 Par exem ple, pour un groupe de traitem ent d’air placé dans l’im m euble de bureaux : V fa = 0,298 * 89.248 * 3,17 10 -5 * 0,5 / 0,75 = 0,56litre/m 3.an et donc pour les 10.000 m 3/h de l’exem ple, cela représenteune économ ie de 5.600 litres de m azout, soit 50% de l’énergie néces- saire au chauffage de l’air extérieur jusqu’à la tem pérature am biante. L’économ ie serait plus que triplée pour la ventilation du traitem ent d’air d’un hôpital, dont le fonctionnem ent est généralem ent continu. En fait, dans une installation de ventilation, l’air est chauffé à une tem pérature pratiquem ent équivalente à la tem pérature d’am - biance. Le rendem ent de 50% du récupérateur entraîne une économ ie de 50 % égalem ent sur le coût du chauffage. Par contre, si l’air pulsé assure égalem ent une fonction de chauffage, la tem pérature d’extraction sera plus faible que celle de pulsion (dans l’exem ple des figures ci avant, l’installation est en fonctionnem ent hivernal: pulsion à 26°C et reprise à 22°C). L’économ ie relati- ve est alors de ±40% (3,6litres de m azout récupérés / 9,1litres nécessaires au chauffage à 26°C) > le graphe des fréquences cum ulées de tem pératures: un outil pour visualiser l’action du récupérateur. On constate que le graphe des fréquences cum ulées de tem pératures du site choisi est un instrum ent utile lors des prem ières études de systèm e, pour visualiser «le travail » du récupérateur. Le graphe ci-après représente le fonctionnem ent d’un récupé- rateur (dont le rendem ent est de 70% ), placé sur de l’air extrait à 22°C. Si l’air extérieur est à 12°C (¡ écart de 10°C par rapport à l’air extrait) et que le récupérateur présente un rendem ent de 70% , il gagnera 7°C et sortira «préchauffé» à 19°C. uploads/s3/ les-recuperateurs-de-chaleur.pdf