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Choix du préchauffage de l'air neuf

En bref !

  Lorsque l'on dispose d'un réseau d'apport d'air neuf, il est fortement recommandé de l'équiper d'une batterie de préchauffage de l'air de manière à prévenir les risques de courant d'air et de plaintes.

Un autre but du préchauffage est d'éviter que de l'air trop froid ne circule dans les conduits, ce qui pourrait provoquer des condensations sur leur surface externe.

Le réglage de la température de l'air pulsé peut varier, grosso modo de 12 à 16°C en fonction des apports de chaleur gratuits. Par exemple dans une salle de réunion comprenant un nombre important de personnes, les apports de chaleur sont tels que l'on peut rapidement se retrouver en situation de surchauffe. Dans ce cas, autant profiter au maximum du pouvoir rafraîchissant de l'air neuf en réglant, au minimum acceptable, la température de l'air.

Que l'on préchauffe ou non l'air avant son entrée dans le local, la consommation liée au chauffage de l'air neuf sera la même. En effet, lorsque l'on ne préchauffe pas l'air neuf, on estime que l'air de ventilation est évacué à la température ambiante et donc qu'il aura été chauffé par le système de chauffage du local (radiateurs, ...).

C'est le coût du chauffage de l'air qui change en fonction du système choisi.

On parle de préchauffage de l'air et non de chauffage car le but n'est pas de compenser les déperditions du local mais d'éviter les courants d'air froid. Le principe général du préchauffage est donc de pulser de l'air neuf à température constante (12 .. 16°).

On peut envisager un préchauffage par :

 Batterie à eau chaude ou résistance électrique ?

Il faut savoir que les batteries chaudes sont plus chers à l'investissement que les résistances électriques. Par contre, à l'exploitation l'utilisation des résistances électriques peut s'avérer coûteuse. Une alternative est l'utilisation d'un échangeur en détente direct d'un circuit fonctionnant en pompe à chaleur en hiver et en groupe frigo en été. Mais attention à bien gérer le projet sachant qu'avec un tel système on "casse" vite de l'énergie en mi-saison.

 Récupérateur de chaleur

La récupération de chaleur sur l'air extrait est une solution énergétiquement très intéressante. Elle permet de récupérer de 50 à 70 % (en fonction du type du récupérateur choisi) de l'énergie rejetée par l'extraction d'air.

 Récupération de chaleur sur le condenseur d'une machine frigorifique

Lorsqu'on a besoin de froid tout au long de l'année, la récupération de la chaleur d'un condenseur de groupe frigo paraît à première vue intéressante. Mais il faut être sûr que la production de froid et de chaud soit simultanée, l'échangeur bien dimensionné (les températures de condensation sont d'environ 40°C) et, qu'en hiver, le régime du groupe de froid soit proche de son régime nominal.

 Sélection d'une batterie

Une batterie chaude est d'abord sélectionnée pour fournir la puissance désirée en fonction du régime de température d'eau souhaité. En général, on dimensionne les batteries chaudes pour un régime de température de 90°/70° de manière à limiter au maximum ces pertes de charge.

Batterie à eau chaude ou résistance électrique ?

Une batterie à eau chaude est constituée d'un échangeur alimenté en eau chaude au départ d'une chaudière. La régulation se fait en agissant soit sur le débit d'eau (vanne deux voies, vanne trois voies en division), soit sur la température de l'eau (vanne trois voies en mélange) au départ d'une sonde placée dans la gaine de soufflage. La deuxième solution demande une pompe supplémentaire mais rend le réglage plus facile car la variation de puissance de la batterie est pratiquement proportionnelle à la température, tandis que dans le premier cas, la puissance échangée varie peu avec le débit lorsque celui-ci est proche du débit nominal et varie rapidement pour les faibles débits. Il faut en outre prévoir une sécurité antigel de la batterie forçant l'ouverture de la vanne, arrêtant la ventilation, fermant le clapet d'air neuf et enclenchant une alarme en fonction d'un thermostat situé après la batterie (alarme si la température de l'air pulsé chute sous 5°C).

Trois modes de régulation d'une batterie de préchauffe à eau chaude.

La solution de la résistance électrique est la plus simple, donc la moins chère à l'investissement. Par contre, elle conduit à un surcoût parfois important à l'exploitation.

Batteries électriques terminales.

Comparons le coût du préchauffage de l'air neuf avec une batterie à eau chaude et une résistance électrique pour un immeuble de bureaux de 50 personnes :

Type de préchauffage

Batterie à eau chaude

Résistance électrique

Débit d'air neuf

1 500 [m³/h]

Durée de fonctionnement annuelle

2 600 [h/an]

Température de soufflage

16 [°C]

Consommation pour le préchauffage de l'air

9 460 [kWh/an]
(rendement du système : 70 %)

6 620 [kWh/an]
(rendement du système : 100 %)

Coût du préchauffage

236,5 [€/an]
(à 0,25 €/litre de fuel)

761,75 [€/an]
(à 0,11 €/kWh)

Avec un gain de 500 €/an, le surcoût de la batterie à eau chaude raccordée à la chaudière existante peut rapidement être rentabilisé.

Pour adapter ces valeurs à votre propre situation :

Calculs 

 

Calculs 

(Dans ces programmes, il vous sera demandé d'insérer le prix que vous payez par kWh électrique consommé. Si vous ne le connaissez pas, vous pouvez l'estimer grâce aux informations reprises dans la théorie "coût moyen du kWh électrique économisé").

Remarque : utilisation d'une pompe à chaleur réversible ?

Une alternative à l'utilisation d'une batterie électrique consiste à placer un échangeur en détente directe : pompe à chaleur en hiver et machine frigorifique en été. Le fonctionnement d'une pompe à chaleur est certainement plus performant que celui d'une résistance directe. Et en période de forte chaleur, un air prérefroidi peut être distribué dans les locaux.

Mais :

  • Un tel système ne se conçoit qu'au sein d'un caisson de préparation d'air centralisé.

  • Une température de pulsion commune à l'ensemble des locaux devra être trouvée.

  • Le risque est alors grand de "casser" de l'énergie (en mi-saison,réchauffer l'air neuf à 22°C et ... refroidir le local où cet air est pulsé !).

  • Idéalement, il faudrait pulser de l'air à 16°C en hiver et refroidir l'air uniquement lorsque la température extérieure dépasse 24°C. Ce n'est que dans ce cas que l'air frais extérieur pourra être valorisé (free-cooling).

Ce qu'il ne faut jamais faire : régler la température de l'air pulsé à une température "neutre" de 20°C ...

Cahier des charges 

Vecteur énergétique pour le chauffage de l'air.

Récupérateur de chaleur

Une partie du préchauffage de l'air extérieur peut être repris par un récupérateur de chaleur entre l'air extrait et l'air pulsé (échangeur à plaques, rotatif, à eau glycolée, ...). Par exemple, si la température intérieure est de 20°C et que la température extérieure est de 0°C, un récupérateur de chaleur peut amener la température de l'air neuf aux environs des 10°C.

La récupération de chaleur sur l'air extrait est une solution énergétiquement très intéressante. Elle permet de récupérer de 50 à 70 % (en fonction du type du récupérateur choisi) de l'énergie rejetée par l'extraction d'air.

Dans une installation existante, étant donné les coûts élevés d'achat et de placement d'un récupérateur, l'augmentation de la consommation des ventilateurs avec les pertes de charge supplémentaires, la rentabilité à court terme du placement d'un récupérateur peut être difficile, sauf 

  • pour des débits élevés (plus de 10 000 m³/h),
  • avec un usage permanent de l'installation.

Dans une nouvelle installation, dans la mesure où la récupération de chaleur fait partie de la conception initiale, la puissance de chauffage pourra être réduite et le surcoût initial sera rapidement amorti.

Concevoir 

Choisir un récupérateur de chaleur.

Pour estimer la rentabilité d'un récupérateur de chaleur sur l'air extrait :

Calculs 

 

Calculs 

 

Il faut également tenir compte du fait que le récupérateur ne peut à lui tout seul reprendre l'entièreté des besoins en préchauffage :

  • Premièrement, parce qu'en plein hiver, la température de l'air neuf atteinte risque d'être insuffisante. Si on récupère 50 % de l'énergie rejetée, la température atteinte, par - 10°C extérieurs, ne sera que de 5°C (pour une température de l'air rejeté de 20°C).

  • Ensuite parce que par grand froid,l'air rejeté, en cédant sa chaleur, risque de descendre en dessous de 0°C, entraînant des risques de givre sur la batterie d'échange. Pour éviter cela, une régulation du récupérateur (exemple : cas d'un échangeur à eau glycolée) est nécessaire, ralentissant l'échange lorsque la température de l'air rejeté descend trop, c'est-à-dire par grand froid et donc lorsque les besoins en préchauffage sont les plus importants.

Il est donc, la plupart du temps, nécessaire de doubler le récupérateur par une batterie de préchauffage traditionnelle.

Pour éviter la formation de glace sur l'échangeur du conduit d'air rejeté, un by-pass avec vanne trois voies limite le transfert de chaleur lorsque l'air rejeté se refroidit trop.

Cahier des charges 

Placement d'un récupérateur de chaleur.

Récupération de chaleur sur le condenseur d'une machine frigorifique

Lorsque le bâtiment traité possède une installation frigorifique devant fonctionner même en hiver, on pourrait imaginer de récupérer la chaleur évacuée au niveau du condenseur pour préchauffer l'air neuf de ventilation.

Cette idée paraît intéressante, puisqu'il s'agirait en fait d'un transfert de chaleur des zones à refroidir vers les zones à chauffer.

Dans la pratique, cependant, cette récupération de chaleur ne semble pas forcément engendrer des économies d'énergie. En effet :

  • La température de condensation de la machine frigorifique ne permet pas de produire de l'eau à très haute température (aux environs de 40°C). Une batterie de préchauffage travaillant à cette température devra être surdimensionnée et présentera donc des pertes de charge supérieures, synonymes de consommations électriques supplémentaires. Augmenter la température de condensation de la machine frigorifique aurait également une conséquence néfaste car cela détériorerait l'efficacité frigorifique.

  • Souvent, en plein hiver, le fonctionnement de la machine frigorifique sera réduit, voire nul, alors que les besoins de préchauffage augmentent. Une batterie traditionnelle complémentaire sera donc nécessaire pour assurer un préchauffage correct à l'arrêt du condenseur. On se retrouve donc avec 2 batteries provoquant des pertes de charge importantes et permanentes.

Concevoir 

Pour plus de détails sur la récupération de chaleur au condenseur d'une machine frigorifique, cliquez ici !

Sélection d'une batterie

Lors de la sélection d'une batterie à eau chaude, l'objectif "URE" est de minimiser sa perte de charge côté "air" et par là, la consommation du ventilateur.

Une batterie chaude est d'abord sélectionnée pour fournir la puissance désirée en fonction du régime de température d'eau souhaité.

Batteries à eau chaude.

Pour une même puissance fournie, plus le régime de température choisi pour le dimensionnement est bas, plus la batterie possédera un nombre de rangs important et donc plus sa perte de charge sera importante. Il est donc conseillé de dimensionner les batteries chaudes pour un régime de température de 90°/70° de manière à limiter au maximum ces pertes de charge. Une régulation de la température d'eau en fonction des conditions climatiques permet en outre de limiter les pertes de distribution (et de production) de l'eau chaude.

De même, il faut être conscient qu'un installateur essayera souvent de diminuer le coût de la batterie sans se soucier de la conséquence sur la consommation du ventilateur. Il faut donc être attentif à lui imposer de minimiser les pertes de charge côté air lors de la sélection.

Cahier des charges 

Dimensionnement des batteries.

 

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