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Publié par Gaz Métro
Publi Reportage - Récupération de chaleur

Minimisez la consommation d’énergie liée au dégivrage

 

Le but premier d’un récupérateur de chaleur dans un climat nord-américain est de minimiser les coûts de chauffage de l’air neuf.

 

Dans un climat froid, les opérations d’un immeuble peuvent s’effectuer sous le point de congélation. Afin d’éviter certaines complications, des moyens de prévention de gel des systèmes de chauffage sont utilisés. Toutefois, ces moyens peuvent faire diminuer l’efficacité des systèmes, et donc augmenter les frais de fonctionnement.

 

Performances et conditions climatiques

La récupération de chaleur en hiver s’effectue entre l’échange de chaleur du fluide chaud, l’évacuation de l’air vicié du bâtiment vers le fluide froid et l’admission d’air extérieur. Toute bonne conception d’unité doit tenir compte de la possibilité de formation de givre du côté de l’écoulement d’air qui perd sa chaleur lors des températures hivernales. Dans ce cas-ci, c’est le côté de l’évacuation de l’air vicié qui se trouve à risque.

 

Schéma d’échange thermique

 

La formation de givre sur un échangeur de chaleur, composante du récupérateur de chaleur, réduit sa surface d’échange. Ce faisant, le débit d’air requis du bâtiment peut diminuer, de même que l’efficacité du système de récupération. Il existe plusieurs méthodes pour prévenir le givre :

  • Préchauffer l’air entrant ou sortant
  • Ajouter une voie d’évitement sur l’alimentation ou l’évacuation d’air
  • Mettre des cycles de dégivrage prédéterminés
  • Contrôler la température de l’air évacué à la sortie de l’échangeur vers l’extérieur
  • Faire varier la vitesse de rotation dans le cas d’une roue thermique
  • Utiliser des débits d’air différents entre l’alimentation et l’évacuation

Ces méthodes permettent d’obtenir une température moyenne acceptable à la sortie de l’échangeur (côté évacuation), soit de 33 °F (1 °C) à 36 °F (2 °C).

 

La température réelle à la surface de contact de l’échangeur n’est pas nécessairement uniforme. En effet, des accumulations de givre sur certains points de surface dont la température est inférieure à 32 °F (0 °C) sont possibles.

 

Comment éviter le givre sans générer d’importants surcoûts liés à une diminution de l’efficacité?

 

Analyse comparative
Pour une roue thermique donnée, certifiée AHRI, deux paramètres seront évalués dans le cadre de trois conditions différentes afin de vérifier une consommation réelle :

 

Paramètres :

1. Consommation d’énergie avec récupération, sans dégivrage
2. Consommation d’énergie avec dégivrage à T4 = 36 °F (2 °C) pour simuler une opération en récupération plus réaliste et sécuritaire

 

Conditions :

1. CAS 1 (ÉGAUX 2) : 10 000 pi3/min (même débit à l’alimentation et à l’évacuation)
2. CAS 2 (ALIM. >) : 10 000 pi3/min à l’alimentation et 7 500 pi3/min à l’évacuation
3. CAS 3 (ÉVAC. >) : 7 500 pi3/min à l’alimentation et 10 000 pi3/min à l’évacuation

 

Résultats
Pour tous les cas, l’efficacité de chauffage a été fixée à 90 %. De même, comme le coût du gaz naturel n’est pas fixe dans le temps, un coût moyen de 0,50 $/m³ est utilisé afin de simplifier les calculs.

 

 

1Innergy tech - I3-MS3A-108.
2Le cas 3 suppose que la portion d’air non introduite par le système de récupération s’y est insérée par d'autres moyens, donc chauffée de façon indirecte sans récupération d'énergie sur cette portion.
3Valeurs combinées de la consommation du cas 3 en tenant compte de la portion récupérée et celle compensée indirectement.

 

CAS 1 : Débits égaux de 10 000 pi3/min nominaux
Donne une efficacité de récupération nominale de 80 % et une efficacité saisonnière de 75 %. Le surcoût est de 3 900 $ avec le mode de dégivrage.

 

CAS 2 : Débit d’alimentation plus grand de 25 % que l’évacuation (10 000 pi3/min côté alimentation et 7 500 pi3/min à l’évacuation)
Donne une efficacité apparente nominale plus grande pour le même récupérateur à débits égaux (89 % vs 80 %) mais une efficacité saisonnière de 60 %. Le surcoût est de 10 500 $ avec le mode de dégivrage.
Remarque : il se peut que cette situation se produise plus souvent qu’on le désire, par exemple lorsqu’on ne peut regrouper toute l’évacuation au même endroit.

 

CAS 3 : Débit d’alimentation plus petit de 25 % que l’évacuation (7 500 pi3/min côté alimentation et 10 000 pi3/min à l’évacuation)
Comme le débit évacué est supérieur à l’alimentation, le bâtiment devient en pression négative en l’absence d’un autre système traitant cette différence.
Nous avons donc une efficacité apparente nominale plus grande pour le même récupérateur (89 % vs 80 %) et une efficacité saisonnière réelle de 66 % en tenant compte de la portion du débit total ne passant pas dans le système de récupération. Le surcoût est de 4 900 $ avec le mode de dégivrage.
Aux fins de comparaisons, les calculs utiliseront l’hypothèse que la différence de débit sera introduite dans le bâtiment par d’autres moyens et qu’il sera chauffé localement à leurs points d’entrées par un système de chauffage conventionnel ayant la même efficacité que celui jumelé au système de récupération. Le bâtiment sera donc soumis à une pression neutre.
Dans les deux derniers cas, l’efficacité apparente nominale plus grande pour le même récupérateur s’explique principalement par la différence des débits massiques qui limite l’énergie disponible.

 

Conclusion
Comme vous pouvez le constater, l’évaluation de la consommation sans mode de dégivrage et avec mode de dégivrage peut donner des différences de consommation significatives.

 

Un débit égal entre l’alimentation et l’évacuation apparaît préférable pour récupérer le maximum d’énergie des débits massiques impliqués.

 

Un débit supérieur en alimentation ne devrait être utilisé que si l’on doit maintenir le bâtiment en pression positive, ou qu’il s’avère non rentable, voire impossible, de rassembler un débit d’évacuation équivalent.

 

Un débit supérieur côté évacuation peut être intéressant si le bâtiment se maintient en pression légèrement négative. Il faut s’assurer, dans ce cas, que le bâtiment est suffisamment étanche, car l’air manquant cherchera à s’infiltrer et sera finalement chauffé par un système conventionnel, sans pour autant optimiser les capacités d’un système de récupération d’énergie. Puisque le débit massique est supérieur côté évacuation, il permet de repousser un peu plus bas la limite du risque de givre, donc de récupérer un peu plus d’énergie. Comme mentionné précédemment, il faut que le bâtiment soit étanche pour bénéficier d’un tel avantage, sans compter les problèmes potentiels d’opération d’un bâtiment en pression négative (par exemple des portes plus difficiles à ouvrir ou un refoulement de cheminée).

 

Notre climat froid influence indéniablement la consommation d’énergie liée aux cycles de dégivrage des systèmes de récupération d’énergie.

 

Références :
- Logiciel Winnergy version 3.2 d’Innergy tech
- AHRI 1060-2005
- Norme ASHRAE 84-91
- Environnement Canada - Normales climatiques au Canada 1971-2000 pour Montréal
- ASHRAE Handbook 2012 – HVAC Systems and Equipment, chapitre 26

 


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