Récupération de chaleur : rendement et économies

La récupération de chaleur est le transfert d’énergie thermique de l’air repris vers l’air soufflé au moyen d’un échangeur. Le rendement de température se calcule ainsi : $\eta_T = \dfrac{t_2 - t_1}{t_{ex} - t_1}$, où $t_1$ est la température de l’air soufflé avant l’échangeur, $t_2$ après l’échangeur et $t_{ex}$ la température de l’air repris.

Quand la récupération est-elle obligatoire (réglementation)

En France, la réglementation environnementale (RE2020) et la série de normes NF EN 16798-3 encadrent les exigences de récupération de chaleur dans les installations de ventilation. À partir de certains débits d’air et durées de fonctionnement, une récupération avec un rendement justifié est requise ; les valeurs limites précises et les méthodes de justification figurent dans la RE2020 ainsi que dans la NF EN 16798-3 et les règles techniques associées (notamment la NF EN 13053).

Écoconception : rendement minimal de la récupération dans une CTA

La réglementation du bâtiment (RE2020) vise le bâtiment. Le produit relève du règlement (UE) n° 1253/2014, qui met en œuvre la directive 2009/125/CE sur l’écoconception pour les unités de ventilation d’une puissance électrique absorbée d’au moins 30 W. Une unité qui ne le respecte pas ne peut pas être mise sur le marché de l’UE, quel que soit l’appareil choisi par le projeteur.

Pour les unités de ventilation non résidentielles double flux (UVNR) avec récupération, le règlement fixe un rendement thermique (de température) minimal :

Applicable depuis	Autres systèmes (plaques, rotatif…)	Circuit intermédiaire (eau glycolée)
1er janvier 2016	67 %	63 %
1er janvier 2018 (en vigueur)	73 %	68 %

• Le système de récupération doit comporter un by-pass thermique.
• Le rendement est déterminé dans les conditions de référence de l’annexe IX ; il s’agit du rendement de température à sec (sans condensation, à débits massiques égaux des deux flux). Le rendement enthalpique d’un rotor n’entre pas dans l’exigence : une valeur de catalogue relevée en conditions hivernales avec condensation n’est donc pas comparable.
• L’écoconception limite aussi la puissance spécifique des ventilateurs (SFP) : on ne peut pas « acheter » un meilleur rendement par une perte de charge démesurée de l’échangeur.

En pratique, l’écoconception fixe le plancher de chaque unité livrée (73 %), tandis que la réglementation du bâtiment décide si une récupération est obligatoire. Pour le dimensionnement et le calcul énergétique, on retient toujours le rendement réel de l’unité choisie, pas le minimum légal : entre 73 % et 85 %, l’économie annuelle de l’exemple ci-dessous varie d’environ 15 MWh.

Types de récupérateurs

Récupérateur à plaques (à courants croisés ou à contre-courant)

Les flux d’air sont séparés par des plaques métalliques ou plastiques — il n’y a pas de transfert d’humidité, uniquement de chaleur sensible.

• Rendement de température : disposition à courants croisés environ 50–70 %, à contre-courant environ 80–93 %
• Avantages : coût faible, entretien simple, aucun transfert d’odeurs
• Inconvénients : by-pass nécessaire pour le dégivrage à t < −5 °C (air soufflé), condensat côté air extrait

Roue enthalpique (rotor)

Un rotor en matériau sorbant tourne (5–10 tr/min) entre les flux soufflé et repris — il transfère la chaleur et l’humidité.

• Rendement global (enthalpique) : 75–85 %
• Avantages : le transfert d’humidité réduit le besoin d’humidification en hiver
• Inconvénients : transfert d’odeurs (max. 5 %) à prendre en compte, coût plus élevé ; dégivrage moins problématique

Boucle à glycol/eau

Deux échangeurs reliés par un circuit de glycol — les flux d’air ne sont jamais en contact.

• Rendement : 40–60 %
• Avantages : séparation des flux (odeurs, procédés sensibles sur le plan hygiénique)
• Inconvénients : rendement plus faible, pompe

Calcul de la récupération

Rendement de température (sensible)

$$\eta_T = \frac{t_2 - t_1}{t_{ex,1} - t_1}$$

Exemple (hiver) :

• $t_1 = -12$ °C (air extérieur)
• $t_{ex,1} = +22$ °C (air repris du local)
• $\eta_T = 75\ \%$

$$t_2 = t_1 + \eta_T \cdot (t_{ex,1} - t_1) = -12 + 0{,}75 \cdot (22 - (-12)) = -12 + 25{,}5 = +13{,}5\ ^{\circ}\text{C}$$

L’air entrant dans la batterie chaude est à 13,5 °C au lieu de −12 °C.

Économie de puissance thermique

$$\Delta P = \dot{m} \cdot c_{pa} \cdot (t_2 - t_1) = \dot{m} \cdot 1{,}006 \cdot 25{,}5$$

Exemple : $\dot{m} = 2$ kg/s → $\Delta P = 2 \cdot 1{,}006 \cdot 25{,}5 =$ 51,3 kW. C’est ce dont la batterie chaude est soulagée le jour le plus froid de l’année — un chiffre pour le dimensionnement, pas pour le bilan annuel.

Économie d’énergie annuelle

L’économie annuelle ne s’obtient pas en multipliant cette puissance de dimensionnement par les heures de fonctionnement : le point de dimensionnement est le jour le plus froid de l’année, et le reste de la saison de chauffe l’écart de température est bien plus faible. Le calcul doit partir de la température extérieure moyenne de la saison de chauffe, $\bar{t}_1$ :

$$E_{\text{annuel}} = \dot{m} \cdot c_{pa} \cdot \eta_T \cdot (t_{ex,1} - \bar{t}_1) \cdot \tau_{\text{chauffage}} \quad \text{[kWh]}$$

où $\tau_{\text{chauffage}}$ = le nombre d’heures de fonctionnement par an en période de chauffe (typiquement 3 000–4 500 h/an en Europe centrale).

Exemple : à Strasbourg-Entzheim, la moyenne des températures mensuelles de novembre à mars est de 4,6 °C (normales Météo-France 1991–2020). Avec $\tau_{\text{chauffage}} = 3500$ h :

$$E_{\text{annuel}} = 2 \cdot 1{,}006 \cdot 0{,}75 \cdot (22 - 4{,}6) \cdot 3500 \approx 91\,900\ \text{kWh} \approx \mathbf{91{,}9}\ \textbf{MWh/an}$$

La multiplication naïve (51,3 kW × 3 500 h ≈ 180 MWh) doublerait presque l’économie. Même ainsi, le résultat reste un peu optimiste pour un bâtiment occupé seulement en journée : la moyenne de 4,6 °C inclut les nuits, et aux heures de bureau l’air extérieur est plus doux.

La récupération dans le diagramme de Mollier

Récupérateur à plaques (sans transfert d’humidité)

Air soufflé : déplacement vertical vers le haut (à $x$ constant) depuis le point 1 (air extérieur) vers la température de l’air repris.

Air repris : déplacement vertical vers le bas — condensation possible sur les lamelles, sous le point de rosée de l’air repris. Les deux déplacements se vérifient au crayon sur une feuille vierge à imprimer — pour la récupération, le contrôle graphique est le plus rapide, car une pente absurde se voit avant une erreur dans un tableau.

Roue enthalpique (avec transfert d’humidité)

Air soufflé : déplacement en diagonale — $t$ et $x$ augmentent (l’humidité de l’air repris est transférée).

Condensation dans le récupérateur et dégivrage

En hiver, l’humidité de l’air repris se condense sur les lamelles froides — un écoulement du condensat est nécessaire (siphon, évacuation vers les eaux usées).

Sous une température extérieure d’environ −5 °C (selon l’état de l’air repris), le condensat risque de givrer sur les lamelles. Solutions :

1. By-pass de l’air extérieur — une partie de l’air extérieur froid (côté soufflage) contourne l’échangeur ; l’air repris se refroidit moins et la température des lamelles remonte.
2. Préchauffage électrique de l’air soufflé — préchauffage en amont du récupérateur.
3. Roue enthalpique — naturellement plus résistante grâce à la rotation (dégivrage mécanique).

Recommandations pratiques de choix

Application	Recommandation
Maison individuelle, logement	Plaques à contre-courant (η > 85 %)
Bureau, école, hôtel	Plaques ou roue
Restaurant (odeurs)	Boucle à glycol ou plaques avec lame d’air
Grand hall de production	Roue (grands débits, bilan hydrique marqué)
Hôpital, salle propre	Plaques (aucun transfert entre les airs)

Normes et réglementations

• NF EN 16798-3 — systèmes de ventilation, exigences de récupération de chaleur
• RE2020 (Réglementation environnementale 2020) — exigences énergétiques des bâtiments, bâtiments à très basse consommation
• Règlement (UE) n° 1253/2014 (écoconception des unités de ventilation) — rendement thermique minimal de la récupération 73 % (circuit intermédiaire 68 %) et by-pass thermique
• NF EN 308 — échangeurs de chaleur, méthodes d’essai de performance
• NF EN 13053 — centrales de traitement d’air, performances des composants et des sections