Les principaux types d’échangeurs de chaleur en VMC double flux
Les fabricants de VMC annoncent des rendements de récupération de chaleur qui vont varier notamment selon la technologie de leur échangeur. L’article suivant vise à donner un aperçu des principaux moyens utilisés à ce jour. On peut les classer selon 4 technologies :
L’échangeur à courant croisé (50-60%)
Cette échangeur a la forme d’un losange. C’est un échangeur à plaques (c’est un grand nombre de plaques espacées de quelques millimètres, bordé d’un joint). Sa performance dépend pour une grande part de sa surface d’échange (plus l’échangeur est gros et plus son rendement augmentera). Comme le montre le schéma, la caractéristique d’un échangeur à courant croisés est que les flux sont perpendiculaires, mais vont dans le même sens.
On retrouve ce type d’échangeur sur les VMC d’entrée de gamme, ou sur les caissons antérieurs à 2005.
Pour éviter la récupération de chaleur de l’échangeur en été, la VMC doit être équipée d’un by pass pour cour circuiter l’échangeur.
Fonctionnement :
L’échangeur fait simplement croiser les flux d’air neuf avec l’air extrait, le rendement de récupération de chaleur est donc proche de 50-60%. On voit sur le schéma que la température de l’air soufflé dans les pièces de vie culmine à 10°C en cas de température négative extérieure.
Sur la photo suivante, on voit ce type d’échangeur proposé sur les systèmes de ventilation naturelle à double flux des bâtiments de Bedzed, dans la banlieue de Londres.
Bedzed – Angleterre
 |
|
L’échangeur à contre courant (70-95%)
Les échangeurs à contre courant équipent les VMC double flux utilisées dans les bâtiments basse consommation.Ce sont des échangeurs à plaques également, en aluminium, en polystyrène ou en plastique. La principale différence avec l’échangeur à courants croisés est qu’ici les flux sont parallèles, à sens contraire. De ce fait le rendement d’échange est supérieur.
En général, les fabricants de VMC double flux sous traitent la fabrication des échangeurs de chaleur. Par exemple, l’échangeur de couleur verte visible sur la photo plus bas est fabriqué par Recair.
Pour l’été, la VMC doit être munie d’un by pass pour court-circuiter la récupération de chaleur de l’échangeur.
Fonctionnement :
Les flux ne sont ici pas simplement croisés. Sur une partie du trajet de l’air, les flux sont croisés à contre courant, ce qui permet d’augmenter le rendement d’échange par rapport à l’échangeur à courants croisés. La température de soufflage est donc plus élevée : ici 16.2°C contre 10°C précédemment.
Exemple de vmc double flux haut rendement adaptées pour petits volumes : l’échangeur à contre courant à une forme caractéristique qui permet de le reconnaître.
D’un coté un échangeur en plastique (VMC Zehnder), de l’autre échangeur aluminium (VMC Helios)
Depuis plusieurs années, des recherches sont effectuées pour optimiser le rendement d’échange à volume équivalent.
 |
|
 |
|
 |
|
L’échangeur rotatif. (60-90%)
Surtout utilisé sur des grands volumes et dans les pays scandinaves en maison individuelle, les VMC munies d’un échangeur rotatif fonctionnent sur un principe assez différent des échangeurs précédents. Ici, une roue composée de plaques métalliques très rapprochées tourne sur un axe ou transite d’un coté de l’air neuf et de l’autre l’air vicié, de manière compartimentée. Lorsque l’air vicié traverse la roue, il réchauffe les ailettes métalliques de la roue. Puis, avec la rotation, les ailettes chaudes croisent l’air entrant, qui est alors réchauffé. Ce principe valorise la très forte conductivité thermique des métaux.
Le rotatif présente pour avantage le fait qu’il ne génère pas de condensation et ne nécessite pas de by pass en été (arrêter la roue stoppe l’échange sans empêcher la ventilation), et comme désavantage que son fonctionnement nécessite une consommation électrique, ainsi que des fuites internes air insufflé/air extrait sont possibles.
Sur de gros débits, l’échangeur rotatif devient à rendement égal bien moins volumineux qu’un échangeur à contre courant à partir de 2000 m3/h. C’est pourquoi il constitue une très large part des systèmes à grand débit.
Zoom sur la roue, et les ailettes très fines (photo : hoval) :
 |
 |
 |
La vidéo ci dessous présente à partir de 2.20′ le fonctionnement d’un échangeur à plaques à contre courant et l’échangeur rotatif. Cela permet de très bien cerner les problématiques spécifiques à chaque type d’échangeur :
Le contre courant à enthalpie. (idem échangeur contre courant)
En plus de la récupération de chaleur par l’échangeur à contre courant, une membrane ou un système de vannes intégré à l’échangeur récupère transfère l’humidité de l’air extrait à l’air neuf.
La problématique initiale vient en premier lieu des pays nordiques. Lorsque les températures sont fortement négatives, l’air extérieur contient très peu d’humidité (plus l’air est froid moins il peut contenir d’eau sous forme de vapeur). Ce faisant, le renouvellement d’air en période hivernale conduit à des humidités relatives intérieures en dessous des seuils de confort. L’idée de départ est donc ici : récupérer la chaleur et l’humidité produite par les usages intérieurs pour maintenir un taux d’hygrométrie satisfaisant.
L’intérêt sera double puisque la récupération d’humidité conduit également à réduire le risque de gel dans l’échangeur.
Les échangeurs enthalpiques sont souvent annoncés à de meilleurs rendements thermiques que les échangeurs à contre courant standards. La marque PAUL LUEFTUNG annonce par exemple jusque 127% de rendement sur la Santos 370DC, la marque HELIOS 110% sur sa gamme de machine.
Cette augmentation de rendement est liée à la condensation de la vapeur d’eau qui se produit dans l’échangeur sur l’air extrait, qui en changeant d’état produit un dégagement de chaleur, ce que l’on appelle la chaleur latente. Cette augmentation de rendement est toutefois théorique, puisque le phénomène se produit aussi dans les échangeurs standards, ou les rendements sont énoncés en chaleur sensible (donc sans tenir compte de l’enthalpie de changement d’état).
La seule vraie différence entre les technologies est le fait que la membrane fait transiter une partie de cette eau condensée sous forme moléculaire vers l’air neuf, ce qui permet d’augmenter l’humidité relative de la pièce.
Cet échangeur est donc utile en cas de niveaux de ventilation élevés, qui gênèrent un assèchement de l’air, et dans les climats ou les températures extérieures sont froides (ambiances sèches plus fréquentes) ou chaudes (déshumidification et refroidissement). Cet échangeur limite également la formation de givre dans l’échangeur, et peut donc être envisagé comme solution de remplacement à un puits canadien.
Il faudra être attentif par contre sur la possibilité pour l’utilisateur de nettoyer son échangeur (est ce possible ou non sans dégrader la technologie de transit de l’humidité ?).
L’échangeur céramique
On retrouve l’échangeur céramique essentiellement sur de la ventilation double flux décentralisée. Le soufflage et l’extraction se font par cycles alternés (c’est à dire qu’ils vont souffler pendant 1 minute, s’inverser, extraire 1 minute, etc). Les échangeurs sur ses appareils sont en général des tubes céramiques qui ont pour propriété d’accumuler la chaleur en vue de la restituer ultérieurement : lorsque l’appareil fonctionne en extraction, l’air ambiant réchauffe le tube céramique, lorsque l’appareil fonctionne en soufflage, le tube chaud échange ses calories avec l’air entrant.
 |
|
Voila pour ce tour d’horizon. On gardera à l’esprit que la performance de l’échangeur n’est que l’une des composantes de l’efficacité d’une VMC double flux. La conception du caisson, son isolation, étanchéité à l’air, efficacité des moteurs, position des filtres, régulation sont des éléments qui distinguent les fabricants entre eux (et qui expliquent que pour des caissons qui utilisent les mêmes échangeurs, on puisse retrouver des efficacités certifiées différentes.
Pour échanger sur le sujet, rendez vous sur cette page