Comprendre la récupération d'énergie dans les échangeurs de chaleur rotatifs

Éléments techniques clés ayant une incidence sur l'efficacité énergétique

Comprendre la récupération d'énergie dans les échangeurs de chaleur rotatifs : éléments techniques clés influençant l'efficacité énergétique

Les systèmes de récupération de chaleur peuvent être divisés en deux catégories en fonction de leurs paramètres thermiques : les systèmes de récupération et de conversion d’énergie à partir de chaleur résiduelle présentant des paramètres thermiques élevés (supérieurs à 70 %).^oC) et les systèmes de récupération et de conversion d'énergie à partir de chaleur résiduelle présentant de faibles paramètres thermiques (inférieurs à 70^oC).

Systèmes de récupération de chaleur et de conversion d'énergie au-dessus de 70^oLes matériaux de chauffage sont utilisés dans les procédés technologiques des secteurs de l'énergie, de l'agroalimentaire, de la chimie et d'autres industries de transformation générant d'importantes quantités de chaleur résiduelle. Cette chaleur résiduelle, aux propriétés thermiques élevées, peut être valorisée pour améliorer l'efficacité énergétique et économique des entreprises, soit en chauffant directement l'air dans les systèmes de ventilation, soit en alimentant des procédés technologiques nécessitant des températures plus élevées (par exemple, comme source de chaleur pour les pompes à chaleur utilisées pour la pasteurisation dans l'industrie agroalimentaire ou pour la production d'électricité dans les systèmes à cycle organique de Rankine ou de Kalina). Cette chaleur résiduelle aux propriétés thermiques élevées peut également être utilisée pour les procédés de réfrigération et de climatisation (par exemple, pour convertir l'énergie thermique en eau glacée à l'aide de refroidisseurs à absorption ou à adsorption).

Systèmes de récupération de chaleur et de conversion d'énergie en dessous de 70^oLes chaudières sont le plus souvent utilisées pour le chauffage dans les bâtiments résidentiels (par exemple, le chauffage au sol avec pompes à chaleur) ou commerciaux (par exemple, dans les centrales de traitement d'air (CTA) pour chauffer l'air neuf ou extérieur en récupérant la chaleur de l'air vicié ou extrait). Cet article se concentrera sur les applications dans les bâtiments commerciaux.

Les systèmes de récupération de chaleur dans les centrales de traitement d'air reposent sur deux types de systèmes qui, selon la solution adoptée lors de la conception de la centrale, consomment de l'électricité (systèmes actifs) ou non (systèmes passifs). Les systèmes actifs de récupération de chaleur dans les centrales de traitement d'air comprennent, par exemple, les systèmes à échangeurs de chaleur rotatifs ou à pompes à chaleur réversibles. Les systèmes passifs de récupération de chaleur comprennent les échangeurs de chaleur à croix et hexagonaux. La caractéristique de la récupération de chaleur dans les systèmes de ventilation est que la chaleur est récupérée pour de faibles différences de température entre le flux d'air à température élevée et le flux d'air à température basse, la température de l'air à température élevée dépassant rarement 30 °C.^oC (dans les bâtiments commerciaux, la récupération de chaleur a lieu même à des températures d'air plus basses).

Le plus souvent, la récupération de chaleur dans les systèmes de ventilation et de climatisation est réalisée à l'aide d'échangeurs de chaleur rotatifs ou à courants croisés (hexagonaux), et plus rarement à l'aide de pompes à chaleur. Les échangeurs de chaleur rotatifs sont utilisés dans les centrales de traitement d'air (CTA) où l'échange de masse entre l'air entrant et l'air sortant est autorisé (généralement dans les bâtiments publics). Les échangeurs de chaleur à courants croisés et hexagonaux sont utilisés dans les CTA où l'échange de masse entre l'air neuf et l'air vicié est interdit (par exemple, dans les hôpitaux). Les pompes à chaleur réversibles sont utilisées lorsque de l'air soufflé à haute température est nécessaire pour le chauffage.

Bilan massique et énergétique des échangeurs de chaleur utilisés dans les unités de traitement d'air

Pour calculer les performances d'un échangeur de chaleur rotatif destiné à la récupération de chaleur dans les centrales de traitement d'air, un bilan massique approprié est nécessaire, en plus du bilan énergétique. Les équations de bilan énergétique et massique pour un régime permanent sont présentées ci-dessous, sous l'hypothèse suivante : les variations périodiques des paramètres dues à la rotation de l'échangeur sont moyennées dans le bilan énergétique et hygrométrique global ; autrement dit, les variations locales et périodiques de température et d'humidité à la surface de la roue sont considérées comme négligeables et sont donc ignorées dans les calculs.

a) Bilan massique, de concentration et énergétique des échangeurs de chaleur rotatifs :