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Récupérateur de chaleur

Récupérateur de chaleur
Le récupérateur ou l’échangeur de chaleur est un équipement de la centrale de traitement d’air. Il permet de transférer de la chaleur et de l’humidité (en fonction du type) de l’air vicié vers l’air neuf, il permet ainsi des économies d’énergie importantes.

Installer un récupérateur de chaleur est une mesure fortement recommandée pour l’ensemble des systèmes de ventilation de type D, que cela soit en neuf ou en rénovation. En fonction du débit il peut même être obligatoire de l’installer.

Quels sont les différents types de récupérateurs de chaleur ?

On distingue deux familles de récupérateurs de chaleur :

  • récupérateur direct ou Air / Air : échangeur à plaque, échangeur à roue, échangeur régénératif ;
  • récupérateur indirect :
    • Air / Fluide / Air (privilégié pour les installations de traitement d’air existantes) : échangeur à eau glycolée, échangeur à caloduc, échangeur via pompe à chaleur ;
    • Air / Fluide : dans le cas d’une pompe à chaleur récupérant la chaleur sur l’air extrait pour un réseau de chauffage ou d’ECS.

Récupérateur à plaques

  • Constitué de plaques d’un matériau conducteur (type aluminium) où les flux de l’air extérieur et de l’air vicié se croisent ;
  • technologie très répandue en ventilation tertiaire et résidentielle ;
  • un by-pass permet le fonctionnement en free-cooling ;
  • rendement de 60 à 80%.

Synonyme : Récupérateur à flux croisés

Schéma de fonctionnement  récupérateur à plaques © Bruxelles Environnement

    Avantages :

    • bon rapport investissement/efficacité énergétique ;
    • pas de risque de transfert des contaminants ;
    • solution adaptée à la plupart des débits d’air ;
    • peu de maintenance.

    Inconvénients :

    • perte de charge importante ;
    • pas de récupération d’humidité ;
    • surchauffe en été si pas de by-pass ;
    • risque de givre avec des températures extérieures basses ;
    • encombrement en longueur assez important par rapport au récupérateur à roue.

    Application :

    • résidentiel ;
    • enseignement ;
    • tertiaire ;
    • soins santés ;
    • laboratoire ;
    • de manière générale, lorsque aucun contact entre l’air vicié et l’air neuf n’est autorisé.

    Récupérateur à roue

    • roue équipée d’ailettes en matériau absorbeur ;
    • roue située à moitié dans la partie air neuf et à moitié dans la partie air extrait du caisson de ventilation. Au fur et à mesure de sa rotation, la roue échange alternativement de la chaleur entre l’air extrait et l’air neuf ;
    • en fonction du matériau des ailettes, la récupération de chaleur sensible et latente est possible. Dans le cas d’une roue à récupération d’humidité on parle alors de roue hygroscopique ;
    • le by-pass de la roue est réalisé via l’arrêt de la rotation de la roue ;
    • rendement de 60 à 85% (chaleur sensible & latente).
    Schéma de fonctionnement récupérateur à roue© Bruxelles Environnement

     

    Avantages :

    • faible risque de transfert des contaminants (mais existant néanmoins) ;
    • bon rapport investissement/efficacité énergétique ;
    • faible encombrement ;
    • permet la récupération de la chaleur sensible et latente selon la technologie (roue hygroscopique) ;
    • faible perte de charge ;
    • vitesse de la roue variable permettant la régulation du transfert de chaleur.

    Inconvénients :

    • certains systèmes ne sont pas complètement étanches ;
    • utilisation à proscrire dans le cadre hospitalier (risque de transfert des bactéries) ;
    • entretien du moteur et courroie ;
    • consommation d’énergie pour faire tourner la roue (relativement faible néanmoins) ;
    • risque de givre (relativement faible néanmoins).

    Application :

    • résidentiel ;
    • enseignement ;
    • tertiaire.

    Récupérateur régénératif à clapet ou à volet

    • composé d’un medium en matériau accumulateur qui capte et libère la chaleur sensible et latente ;
    • trajet de l’air modifié par un clapet ou un volet ;
    • rendement de 40 à 90% (chaleur sensible & latente).
    Schéma de fonctionnement  récupérateur régénératif à clapet© Bruxelles Environnement

    Avantages :

    • idem que pour l’échangeur à roue, mais moins besoin d’énergie auxiliaire ;
    • très bons rendements ;
    • moins de pertes de charge que l’échangeur à roue.

    Inconvénients :

    • idem que pour l’échangeur à roue ;
    • technologie coûteuse ;
    • contamination de l'air neuf possible (par le biais de l’accumulateur et aussi lors du changement de position du clapet) ;
    • encombrement important.

    Application :

    • enseignement ;
    • tertiaire ;
    • utilisation toutefois assez réduite car coûteuse.

    Récupérateur à eau glycolée

    • Une batterie est installée sur le groupe d’extraction et une deuxième sur le groupe de pulsion ;
    • les batteries sont reliées par un circuit hydraulique contenant de l’eau glycolée ;
    • une pompe fait circuler le fluide d’une batterie à l’autre assurant ainsi le transfert de chaleur via l’eau glycolée ;
    • rendement de 50 à 60%.
    Schéma de fonctionnement  récupérateur à eau glycolée© Bruxelles Environnement

    Avantages :

    • pas de risque de transfert des contaminants ;
    • régulation de température simple (avec vanne 3 voies) ;
    • flexibilité installation des gaines ;
    • possibilité d’installation directement sur les gaines (donc sur un groupe existant non équipé d’un récupérateur de chaleur interne).

    Inconvénients :

    • pas de récupération d’humidité ;
    • faible rendement (impacté par la longueur de la boucle, consommations de la pompe, etc.) ;
    • encombrement important ;
    • perte de charge importante ;
    • entretien ;
    • coût important ;
    • utilisation du glycol.

    Application :

    • rénovation ;
    • tertiaire ;
    • soins santé ;
    • laboratoires ;
    • cuisines avec beaucoup de graisse.

    Récupérateur via une pompe à chaleur

    • Tout comme le récupérateur à eau glycolée, le récupérateur via pompe à chaleur possède des batteries reliées par un circuit d’eau ou de fluides frigorigènes. L’air extrait et l’air neuf font offices de sources chaudes et froides pour assurer le cycle frigorifique de la pompe à chaleur.
    Schéma de fonctionnement  récupérateur via pompe à chaleur© Bruxelles Environnement

    Avantages :

    • système réversible, pulsion d’air chaud ou d’air froid possible avec un seul système ;
    • rendement élevé grâce au COP de la PAC.

    Inconvénients :

    • investissement élevé ;
    • température de pulsion limitée par le cycle frigorifique (puissance côté chaud et côté froid) ;
    • pertes de charges aérauliques.

    Application :

    • rénovation ;
    • enseignement ;
    • tertiaire.

    Récupérateur à caloduc

    • Alternative au récupérateur à eau glycolée. Un fluide frigorigène est utilisé pour le transfert de chaleur (cycle d’évaporation / condensation du fluide frigorigène).
    • rendement de 50 à 60%.
    Schéma de fonctionnement  récupérateur à caloduc© Bruxelles Environnement

    Avantages :

    • faible encombrement ;
    • peu de maintenance ;
    • pas besoin d’énergie d’appoint.

    Inconvénients :

    • amenée et évacuation d’air doivent être adjacentes ;
    • pas de récupération d’humidité ;
    • faible rendement ;
    • régulation de la température limitée ;
    • pas réversible (pas de fonctionnement en été).

    Application :

    • rénovation ;
    • tertiaire.

    Comment est calculé le rendement d’un récupérateur de chaleur ?

    Le rendement d'un récupérateur de chaleur est défini dans la norme NBN EN 308 comme décrit ci-dessous :

    • Récupération de chaleur : η = (t2-t1)/ (t3-t1)
    • Récupération de l'humidité : η = (h2-h1)/ (h3-h1)
    Schéma de fonctionnement  récupérateur à plaques © Bruxelles Environnement

    Quels sont les critères de choix d’un récupérateur de chaleur ?

    Un récupérateur de chaleur est principalement choisi en fonction de :

    • la possibilité de regrouper les gaines de pulsion et d’extraction dans une centrale de traitement d’air compacte ;
    • la possibilité de transfert de particules physiques entre l’air extrait et l’air neuf ;
    • la performance énergétique ;
    • l’encombrement ;
    • la perte de charge ;
    • la nécessité de récupérer l’humidité.
    Arbre de décision sommaire pour le choix d’un récupérateur de chaleur : Comment choisir un récupérateur de chaleur ?© Bruxelles Environnement

      Quels investissements pour un récupérateur de chaleur ?

      En prenant comme référence un groupe double flux avec échangeur à roue de 10.000m³/h dont le budget est de +/-35.000€ HTVA, il faut compter les surcouts suivants :

      • récupérateur à paque : de 5 à 30%;
      • récupérateur via pompe à chaleur : de 60 à 100%.

      Quels sont les points d’attention lors du choix d’un récupérateur de chaleur?

      Pertes de charges et consommation du ventilateur

      Les récupérateurs de chaleur ont des pertes de charges qui doivent être prises en compte dans le dimensionnement du ventilateur. L’augmentation des pertes de charges augmente la consommation du ventilateur.

      *** lien vers ENE02/ventilateur ***

      Le tableau ci-dessous donne un ordre de grandeur des pertes de charge à associer à un récupérateur de chaleur pour un débit de 10.000 m³/h :

      Pertes de charges par type de récupérateur de chaleur

      Type de récupérateur

      Récupérateur à plaques

      Récupérateur à roue

      Récupérateur à eau glycolée

      Pertes de charges [Pa] pour 10 000 m³/h

      200 - 300

      100 - 200

      100 - 150

      Encombrement

      L’encombrement est aussi un critère de choix dans l’installation d’un récupérateur de chaleur. Le tableau suivant donne un ordre de grandeur de l’encombrement (en m) des récupérateurs pour un débit de 10 000 m³/h.

      Encombrement par type de récupérateur de chaleur

      Type de récupérateur

      Récupérateur à plaques [m]

      Récupérateur à roue [m]

      Récupérateur à eau glycolée [m]

      Encombrement (en m) pour 10 000 m³/h

      2 – 2.5

      0.5 - 1

      0,5 - 1,5

      Fonction free-cooling

      Pour permettre le free-cooling mécanique, le récupérateur de chaleur doit pouvoir :

      • être by-passé (pour le récupérateur à plaques) ;
      • arrêt de la roue (pour le récupérateur à roue) ;
      • arrêt de la circulation d’eau glycolée (pour le récupérateur à eau glycolée).
      Schéma de fonctionnement  récupérateur à plaques - en été© Bruxelles Environnement

        Risque de givre

        Lorsque la température extérieure est basse et le point de rosée est dépassé, il y a un risque de prise en glace du récupérateur de chaleur dont l’air vicié extrait contient de l’humidité. Plusieurs techniques sont envisageables :

        • by-passer l’échangeur de chaleur : cette solution a comme désavantage de se priver des calories de l’air extrait et donc de diminuer le préchauffage de l’air neuf avant pulsion ou avant post-chauffage par une batterie chaude ;
        • ajouter une batterie électrique de préchauffage en amont de l’échangeur de chaleur, ce qui entraine une augmentation de la consommation énergétique ;
        • réduire, voire supprimer la vitesse du ventilateur d’air neuf lorsque le rendement de l’échangeur n’est pas suffisant pour éviter le risque de givre. Cette solution a l’inconvénient de réduire la qualité de l’air pendant ces périodes de fonctionnement. Elle est à éviter si le chauffage se fait via la ventilation ;
        • placer un puits canadien qui préchauffe l’air neuf.

        Risque de corrosion

        Les échangeurs sont généralement peu soumis aux risques de corrosion dans le cadre d’utilisation en résidentiel ou dans des atmosphères non corrosive (bureaux, écoles, etc.). Dans le cas de groupes de ventilation pour des piscines, des ateliers ou fonctionnant dans des atmosphères agressives, les échangeurs standards en inox ou en aluminium doivent être revêtus d’un coating spécifique permettant de protéger les ailettes de la corrosion. Il existe également des échangeurs fabriqués entièrement en matières plastiques résistants aux solvants, chlore, etc. Ces échangeurs sont réservés à des utilisations spécifiques car le surcoût peut devenir très élevé en fonction de l’application (+80 à +150%).

        Quelles actions de maintenance effectuer sur un récupérateur de chaleur ?

        Pour les actions de maintenance réglementaires, voir la section suivante. Les mesures de maintenance, en terme de bonnes pratiques, sont les suivantes :

        • contrôler le fonctionnement et l’état du système de récupération de chaleur, les dommages éventuels, le niveau de corrosion et l’absence de fuite (1 fois/2ans) ;
        • nettoyer les surfaces d’échange (1 fois/5ans);
        • contrôler les équipements de protection et de régulation (1 fois/an) ;
        • entretenir le mécanisme d’entrainement : bruit, balourd, alignement et tension de courroie, dépoussiérage du moteur, lubrification pour les échangeurs à roue, etc. (1 fois/an) ;
        • contrôler les pompes, tuyauterie et isolation, vannes, pour les échangeurs à eau glycolée et caloducs (en fonction du volume de glycol).

        De plus, un filtre est à installer en amont du récupérateur de chaleur pour limiter son encrassement et garantir son rendement thermique.

        Aspects réglementaires et normatifs

        Réglementation Chauffage et climatisation PEB

        Le récupérateur de chaleur est obligatoire à partir d’un certain débit ainsi que certaines tâches de maintenance.

        Réglementation Travaux PEB

        Le récupérateur de chaleur a un impact important sur les objectifs en terme de BNC (et CEP) à atteindre.

        Directive Ecodesign

        La directive Ecodesign fixe des exigences concernant les rendements, l’étiquetage et la classe de consommation d'énergie spécifique (SEC).

        Normes

        Aller plus loin

        Sites Web

        Bibliographie

         

        Mis à jour le 17/05/2022