Ventilation de soufflage et d'extraction avec récupération de chaleur: principe de fonctionnement, aperçu des avantages et des inconvénients

L'apport d'air frais pendant la période froide entraîne un besoin de chauffage pour assurer un climat intérieur correct. Pour minimiser le coût de l'électricité peut être utilisé une ventilation d'alimentation et d'évacuation avec récupération de chaleur.

La compréhension des principes de son fonctionnement permettra la réduction la plus efficace des pertes de chaleur tout en maintenant un volume suffisant d'air remplacé. Essayons de comprendre cela.

Économie d'énergie dans les systèmes de ventilation

Dans la période automne-printemps où la ventilation est un problème majeur est la grande différence de température entre l'air entrant et l'air intérieur. Le courant froid déferle et crée un microclimat défavorable dans les maisons, les bureaux et le lieu de travail ou un gradient de température vertical inacceptable dans l'entrepôt.

Une solution courante au problème est l'intégration dans la ventilation d'alimentation réchauffeur d'airpar lequel l'écoulement est chauffé. Un tel système nécessite une consommation d'énergie, tandis qu'une quantité importante d'air chaud sortant entraîne une perte de chaleur importante.

La sortie vers l'extérieur avec une vapeur intense sert d'indicateur de perte de chaleur importante, qui peut être utilisée pour chauffer le flux entrant

Si les canaux d'alimentation et d'échappement d'air sont situés à proximité, il est alors possible de transférer partiellement la chaleur du flux sortant à l'arrivée. Cela réduira la consommation d'énergie du radiateur ou l'abandonnera complètement. Un dispositif pour fournir un échange de chaleur entre différents flux de gaz de température est appelé un récupérateur.

Pendant la saison chaude, lorsque la température extérieure est beaucoup plus élevée que la température ambiante, un récupérateur peut être utilisé pour refroidir le flux entrant.

Unité avec récupérateur

La structure interne du système de ventilation avec récupérateur intégré assez simple, donc leur achat et installation indépendants par élément est possible. Dans le cas où l'assemblage ou l'auto-assemblage est difficile, vous pouvez acheter des solutions prêtes à l'emploi sous forme de monobloc typique ou de structures préfabriquées individuelles sur commande.

Une conception typique d'un dispositif de système de ventilation d'alimentation et d'évacuation avec un récupérateur situé dans un seul boîtier peut être complétée par d'autres nœuds à la discrétion de l'utilisateur

Les principaux éléments et leurs paramètres

Le boîtier avec isolation thermique et acoustique est généralement en tôle d'acier. Dans le cas d'un montage mural, il doit résister à la pression qui se produit lors du moussage des fentes autour de l'unité, et également empêcher les vibrations des ventilateurs.

Dans le cas d'une admission et d'un flux d'air répartis sur différentes pièces, ils sont reliés au boîtier système de gaines. Il est équipé de vannes et amortisseurs pour la répartition du débit.

En l'absence de conduits d'air, une grille ou un diffuseur est installé sur la sortie d'air d'alimentation depuis le côté de la pièce pour répartir le flux d'air. Une grille d'admission d'air extérieur est montée sur l'ouverture d'entrée de la rue pour empêcher les oiseaux, les gros insectes et la litière de pénétrer dans le système de ventilation.

Le mouvement de l'air est assuré par deux ventilateurs axiaux ou centrifuges. En présence d'un récupérateur, la circulation naturelle de l'air dans un volume suffisant est impossible en raison de la traînée aérodynamique créée par cet appareil.

La présence d'un récupérateur implique l'installation de filtres fins à l'entrée des deux flux. Cela est nécessaire pour réduire le colmatage des dépôts de poussière et de graisse dans les canaux minces de l'échangeur de chaleur. Sinon, pour le plein fonctionnement du système devra augmenter la fréquence de la maintenance préventive.

Les filtres fins doivent être changés ou nettoyés périodiquement. Sinon, une résistance accrue au débit d'air entraînera la rupture des ventilateurs.

Un ou plusieurs récupérateurs occupent la majeure partie du dispositif d'alimentation et d'échappement. Ils sont montés au centre de la structure.

En cas de gelées sévères typiques du territoire et d'efficacité insuffisante de l'échangeur de chaleur pour chauffer l'air extérieur, un aérotherme peut être installé en complément. De plus, si nécessaire, un humidificateur, un ioniseur et d'autres appareils sont montés pour créer un microclimat favorable dans la pièce.

Les modèles modernes incluent une unité de commande électronique. Les modifications sophistiquées ont des fonctions de programmation des modes de fonctionnement en fonction des paramètres physiques de l'air. Les panneaux extérieurs ont un aspect attrayant, grâce auquel ils peuvent être bien intégrés dans n'importe quel intérieur de pièce.

Résoudre le problème de la condensation

Le refroidissement de l'air provenant de la pièce crée les conditions préalables à l'évacuation de l'humidité et à la formation de condensats. Dans le cas d'un débit élevé, la majeure partie n'a pas le temps de s'accumuler dans le récupérateur et sort. Avec un mouvement d'air lent, une partie importante de l'eau reste à l'intérieur de l'appareil. Par conséquent, il est nécessaire d'assurer la collecte de l'humidité et son évacuation à l'extérieur du boîtier système d'alimentation et d'échappement.

Un dispositif élémentaire pour la collecte et l'élimination des condensats est un bac situé sous le récupérateur avec une pente vers le trou de vidange

La conclusion de l'humidité est produite dans un récipient fermé. Il est placé uniquement à l'intérieur pour éviter le gel des canaux de sortie à des températures inférieures à zéro.Il n'y a pas d'algorithme fiable pour calculer le volume d'eau obtenu lors de l'utilisation de systèmes avec récupérateur, il est donc déterminé expérimentalement.

La réutilisation des condensats pour humidifier l'air n'est pas souhaitable, car l'eau absorbe de nombreux polluants, tels que la sueur humaine, les odeurs, etc.

Réduisez considérablement la quantité de condensat et évitez les problèmes liés à son apparence en organisant un système d'échappement séparé de la salle de bain et de la cuisine. C'est dans ces pièces que l'air est le plus humide. S'il y a plusieurs systèmes d'échappement, l'échange d'air entre les zones techniques et résidentielles doit être limité en installant des clapets anti-retour.

Dans le cas du refroidissement du flux d'air sortant à des températures négatives à l'intérieur du récupérateur, le condensat passe à la glace, ce qui entraîne une réduction de la section vivante du flux et, par conséquent, une diminution du volume ou l'arrêt complet de la ventilation.

Pour un dégivrage périodique ou ponctuel du récupérateur, une dérivation est installée - un canal de dérivation pour le mouvement de l'air soufflé. Lorsque le flux passe en contournant l'appareil, le transfert de chaleur s'arrête, l'échangeur de chaleur se réchauffe et la glace devient liquide. L'eau s'écoule dans le réservoir de collecte des condensats ou s'évapore vers l'extérieur.

Le principe du dispositif de dérivation est simple, par conséquent, s'il existe un risque de formation de glace, il est conseillé de fournir une telle solution, car la récupération de chaleur de l'échangeur de chaleur par d'autres moyens est compliquée et longue

Lorsque le débit passe à travers la dérivation, il n'y a pas de chauffage de l'air d'alimentation à travers le récupérateur. Par conséquent, lorsque ce mode est activé, il est nécessaire d'allumer le réchauffeur d'air automatiquement.

Caractéristiques de divers types de récupérateurs

Il existe plusieurs options structurellement différentes pour la mise en œuvre du transfert de chaleur entre les flux d'air froid et chauffé. Chacun d'eux a ses propres caractéristiques qui déterminent l'objectif principal de chaque type de récupérateur.

Échangeur de chaleur à plaques à flux croisés

La conception de l'échangeur de chaleur à plaques est basée sur des panneaux à paroi mince connectés alternativement de manière à alterner le passage entre eux de différents flux de température sous un angle de 90 degrés. L'une des modifications de ce modèle est un dispositif avec des canaux à ailettes pour le passage de l'air. Il a un coefficient de transfert de chaleur plus élevé.

Le passage alterné du flux d'air chaud et froid à travers les plaques est réalisé en pliant les bords des plaques et des composés d'étanchéité avec une résine polyester

Les panneaux de transfert de chaleur peuvent être constitués de différents matériaux:

• le cuivre, le laiton et les alliages à base d'aluminium ont une bonne conductivité thermique et ne sont pas sensibles à la rouille;
• un plastique en matériau polymère hydrophobe à haut coefficient de conductivité thermique est léger;
• la cellulose absorbante permet au condensat de pénétrer à travers la plaque et de retourner dans la pièce.

L'inconvénient est la possibilité de condensation à basse température. En raison de la faible distance entre les plaques, l'humidité ou la glace augmentent considérablement la traînée aérodynamique. En cas de gel, il est nécessaire de couper l'arrivée d'air pour réchauffer les plaques.

Les avantages des récupérateurs de plaques sont les suivants:

• faible coût;
• longue durée de vie;
• une longue période entre la maintenance préventive et sa simplicité;
• petites dimensions et poids.

Ce type de récupérateur est le plus courant pour les locaux résidentiels et de bureaux. Il est également utilisé dans certains processus technologiques, par exemple pour optimiser la combustion du combustible lors du fonctionnement des fours.

Type à tambour ou rotatif

Le principe de fonctionnement d'un échangeur de chaleur rotatif est basé sur la rotation de l'échangeur de chaleur, à l'intérieur duquel se trouvent des couches de métal ondulé à haute capacité calorifique.En raison de l'interaction avec l'effluent, le secteur du tambour est chauffé, ce qui dégage ensuite de la chaleur dans l'air entrant.

L'échangeur de chaleur à mailles fines de l'échangeur de chaleur rotatif est sujet au colmatage, il est donc particulièrement important de faire attention au travail de qualité des filtres fins

Les avantages des récupérateurs rotatifs sont les suivants:

• efficacité assez élevée par rapport aux types concurrents;
• le retour d'une grande quantité d'humidité, qui sous forme de condensat reste sur le tambour et s'évapore au contact de l'air sec entrant.

Ce type de récupérateur est moins couramment utilisé pour les bâtiments résidentiels avec ventilation d'appartement ou de chalet. Il est souvent utilisé dans les grandes chaufferies pour restituer la chaleur aux fours ou pour les grandes installations industrielles ou commerciales.

Cependant, ce type d'appareil présente des inconvénients importants:

• une structure relativement complexe avec des pièces mobiles, y compris un moteur électrique, un tambour et un entraînement par courroie, qui nécessite un entretien constant;
• augmentation du niveau de bruit.

Parfois pour des appareils de ce type, on peut trouver le terme «échangeur de chaleur régénératif», qui est plus correct qu'un «récupérateur». Le fait est qu'une petite partie de l'air d'échappement reflue en raison de l'ajustement lâche du tambour au corps de la structure.

Cela impose des restrictions supplémentaires sur la possibilité d'utiliser des appareils de ce type. Par exemple, l'air contaminé des poêles chauffants ne peut pas être utilisé comme caloporteur.

Système de tube et boîtier

Le récupérateur de type tubulaire se compose de tubes à paroi mince de petit diamètre situés dans le boîtier isolé du système, à travers lequel circule l'air extérieur. Sur le boîtier, produit une sortie de masse d'air chaud de la pièce, qui chauffe le flux entrant.

La sortie d'air chaud doit être effectuée précisément à travers le boîtier, et non à travers un système de tubes, car il est impossible d'en éliminer les condensats

Les principaux avantages des récupérateurs tubulaires sont les suivants:

• haute efficacité, grâce au principe de contre-courant du mouvement du liquide de refroidissement et de l'air entrant;
• la simplicité de conception et l'absence de pièces mobiles assurent un faible niveau de bruit et un besoin de maintenance rare;
• longue durée de vie;
• la plus petite section parmi tous les types de dispositifs de récupération.

Les tubes pour les dispositifs de ce type utilisent soit du métal allié léger, soit, moins couramment, du polymère. Ces matériaux ne sont pas hygroscopiques, donc, avec une différence significative de la température des écoulements, la formation de condensats intenses dans le boîtier est possible, ce qui nécessite une solution constructive pour son élimination. Un autre inconvénient est que le remplissage métallique a un poids considérable, malgré ses petites dimensions.

La simplicité de la conception du récupérateur tubulaire rend ce type d'appareil populaire pour l'auto-fabrication. Comme enveloppe extérieure, des tuyaux en plastique pour conduits d'air, isolés avec des coques en polyuréthane, sont généralement utilisés.

Dispositif de transfert de chaleur intermédiaire

Parfois, les conduits d'alimentation et d'échappement sont situés à une certaine distance l'un de l'autre. Cette situation peut survenir en raison des caractéristiques technologiques du bâtiment ou des exigences sanitaires pour une séparation fiable des flux d'air.

Dans ce cas, utilisez un liquide de refroidissement intermédiaire circulant entre les conduits à travers un tuyau isolé. Comme moyen de transfert d'énergie thermique à l'aide d'eau ou d'une solution eau-glycol dont la circulation est assurée par pompe à chaleur.

Le récupérateur avec un liquide de refroidissement intermédiaire est un appareil volumétrique et coûteux, dont l'utilisation est économiquement justifiée pour les pièces de grandes surfaces

Dans le cas où il est possible d'utiliser un autre type de récupérateur, il est préférable de ne pas utiliser un système avec un liquide de refroidissement intermédiaire, car il présente les inconvénients importants suivants:

• faible efficacité par rapport à d'autres types d'appareils, par conséquent, pour les petites pièces à faible débit d'air, de tels appareils ne sont pas utilisés;
• volume et poids importants de l'ensemble du système;
• la nécessité d'une pompe électrique supplémentaire pour faire circuler le fluide;
• augmentation du bruit de la pompe.

Il y a une modification de ce système lorsque, au lieu d'une circulation forcée du fluide caloporteur, un milieu à bas point d'ébullition, comme le fréon, est utilisé. Dans ce cas, le déplacement le long du circuit est possible de manière naturelle, mais uniquement si le conduit d'air d'alimentation est situé au-dessus du conduit d'échappement.

Un tel système ne nécessite pas de coûts énergétiques supplémentaires, mais il ne fonctionne pour le chauffage qu'à une différence de température importante. De plus, il est nécessaire d'affiner le point de changement de l'état d'agrégation du fluide caloporteur, qui peut être mis en œuvre en créant la pression souhaitée ou une composition chimique spécifique.

Paramètres techniques principaux

Connaissant les performances requises du système de ventilation et l'efficacité d'échange thermique de l'échangeur de chaleur, il est facile de calculer les économies sur le chauffage de l'air d'une pièce dans des conditions climatiques spécifiques. En comparant les avantages potentiels avec le coût d'achat et d'entretien du système, vous pouvez raisonnablement faire un choix en faveur d'un récupérateur ou d'un aérotherme standard.

Souvent, les fabricants d'équipements proposent une gamme de modèles dans laquelle les unités de ventilation avec des fonctionnalités similaires diffèrent dans la quantité d'échange d'air. Pour les locaux résidentiels, ce paramètre doit être calculé selon le tableau 9.1. SP 54.13330.2016

Coefficient de performance

L'efficacité du récupérateur est comprise comme l'efficacité de transfert de chaleur, qui est calculée par la formule suivante:

K = (T_n - T_n) / (T_dans - T_n)

Dans lequel:

• T_n - température de l'air entrant dans la pièce;
• T_n - température extérieure;
• T_dans - la température de l'air dans la pièce.

La valeur maximale d'efficacité avec standard débits d'air et un certain régime de température indiqué dans la documentation technique de l'appareil. Son taux réel sera légèrement inférieur.

Dans le cas d'une fabrication indépendante d'un échangeur de chaleur à plaques ou tubulaire, afin d'atteindre une efficacité maximale de transfert de chaleur, il est nécessaire de respecter les règles suivantes:

• Le meilleur échange thermique est assuré par les dispositifs à contre-courant, puis les dispositifs à courant transversal, et les plus petits - avec le mouvement unidirectionnel des deux flux.
• Le taux de transfert de chaleur dépend du matériau et de l'épaisseur des parois séparant les flux, ainsi que de la durée de l'air à l'intérieur de l'appareil.

Connaissant l'efficacité du récupérateur, il est possible de calculer son efficacité énergétique à différentes températures de l'air extérieur et intérieur:

E (W) = 0,36 x P x K x (T_dans - T_n)

où P (m³/ heure) - consommation d'air.

Le calcul de l'efficacité du récupérateur en termes monétaires et la comparaison avec les coûts de son achat et de son installation pour un chalet à deux étages d'une superficie totale de 270 m2 montre la faisabilité d'installer un tel système

Le coût des récupérateurs à haut rendement est assez élevé, ils ont une structure complexe et une taille considérable. Parfois, vous pouvez contourner ces problèmes en installant plusieurs appareils plus simples afin que l'air entrant les traverse de manière séquentielle.

Performance du système de ventilation

Le volume du flux d'air est déterminé par la pression statique, qui dépend de la puissance du ventilateur et des principaux composants qui créent une traînée aérodynamique.En règle générale, son calcul exact est impossible en raison de la complexité du modèle mathématique.Par conséquent, des études expérimentales sont effectuées pour des conceptions monoblocs typiques et les composants sont sélectionnés pour des appareils individuels.

La puissance du ventilateur doit être sélectionnée en tenant compte du débit des récupérateurs installés de tout type, qui est indiqué dans la documentation technique comme le débit recommandé ou le volume d'air traversé par l'appareil par unité de temps. En règle générale, la vitesse de l'air admissible à l'intérieur de l'appareil ne dépasse pas 2 m / s.

Sinon, à des vitesses élevées dans les éléments étroits du récupérateur, il y a une forte augmentation de la traînée aérodynamique. Cela entraîne des coûts énergétiques inutiles, un chauffage inefficace de l'air extérieur et raccourcit la durée de vie des ventilateurs.

Le graphique de la perte de pression en fonction du débit d'air pour plusieurs modèles d'échangeurs de chaleur haute performance montre une augmentation non linéaire de la résistance, par conséquent, il est nécessaire de respecter les exigences pour le volume d'échange d'air recommandé indiqué dans la documentation technique de l'appareil

Changer la direction du flux d'air crée une traînée aérodynamique supplémentaire. Par conséquent, lors de la modélisation de la géométrie du conduit intérieur, il est souhaitable de minimiser le nombre de tours de tuyau de 90 degrés. Les diffuseurs pour la dispersion de l'air augmentent également la résistance, il est donc conseillé de ne pas utiliser d'éléments avec un motif complexe.

Les filtres et les grilles contaminés créent une interférence importante avec le débit, ils doivent donc être nettoyés ou remplacés périodiquement. L'un des moyens efficaces d'évaluer le colmatage consiste à installer des capteurs qui surveillent la chute de pression dans les zones avant et après le filtre.

Conclusions et vidéo utile sur le sujet

Le principe de fonctionnement du récupérateur rotatif et à plaques:

Mesurer l'efficacité d'un récupérateur à plaques:

Les systèmes de ventilation domestiques et industriels avec récupérateur intégré ont prouvé leur efficacité énergétique pour maintenir la chaleur à l'intérieur. Il existe désormais de nombreuses offres pour la vente et l'installation de tels appareils sous forme de modèles prêts à l'emploi et testés, ainsi que pour des commandes individuelles. Vous pouvez calculer les paramètres nécessaires et effectuer l'installation vous-même.

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