Fonctionnement hivernal (récupération de chaleur, chauffage, humidification, déperditions)

Données du projet

Centrale de traitement d’air neuf de 1500 m³/h, conditions de base hivernales −18 °C. L’air doit être soufflé dans le local à 22 °C, avec une teneur en eau correspondant à l’état de base du local, 20 °C / 40 %. La chaîne comporte cinq nœuds — point extérieur, récupération de chaleur, chauffage, humidification vapeur et déperditions du local — et répond à quatre questions : combien de chaleur la récupération restitue-t-elle, combien en reste-t-il pour la batterie chaude, combien de vapeur l’humidificateur consomme-t-il, et à quel état le local se stabilise-t-il ?

1. Air extérieur : −18 °C

Le premier nœud est un point d’état à −18 °C et 99 % d’humidité relative. Une humidité relative aussi élevée à une température aussi basse ne surprend qu’au premier abord : l’air glacial est pratiquement saturé, mais sa teneur en eau n’est que de x = 0,76 g/kg, soit environ un septième de celle de l’air du local. Par grand froid, l’écart entre 90 % et 99 % est sans importance pour le bilan : la pression de saturation est tout simplement infime.

L’enthalpie de cet état est de −16,2 kJ/kg, la masse volumique de 1,383 kg/m³. Un débit de 1500 m³/h correspond à 2073 kg/h d’air sec — la grandeur qui reste constante tout au long de la chaîne. Le débit volumique, lui, augmente à chaque chauffage : en fin de chaîne, il atteint 1755 m³/h, soit 17 % de plus qu’à la prise d’air. Pour dimensionner le ventilateur et les gaines, il est déterminant de savoir en quel point de la centrale le débit est indiqué.

2. Récupération : échangeur à plaques d’efficacité 75 %

L’échangeur à plaques est sec — il ne transfère pas d’humidité entre les flux, de sorte que l’air neuf évolue à x constant :

• air neuf : −18 °C → 10,5 °C à x = 0,76 g/kg, l’humidité relative tombe à 9,7 %
• puissance récupérée : 16,53 kW
• air extrait : 20 °C → −4,6 °C ; l’air franchit son point de rosée (6,1 °C) et libère 5,82 kg/h de condensats
• température de surface moyenne côté air extrait : −8,5 °C

Les deux dernières lignes vont de pair et sont au cœur de cet exemple : des condensats sur une surface sous zéro, c’est du givre. L’application affiche donc sur ce nœud un avertissement de risque de givrage avec la température de surface. Le modèle indique ainsi que la centrale ne peut pas fonctionner aux conditions de base sans protection antigel — by-pass, batterie de préchauffage ou variation de vitesse. Essayez de réduire l’efficacité à 60 % : la température de surface remonte à −2,8 °C ; le risque diminue sans disparaître. C’est précisément ce compromis entre efficacité et givrage qui est déterminant en fonctionnement hivernal.

3. Chauffage jusqu’à 22 °C

La batterie chaude porte l’air de 10,5 °C aux 22 °C requis à teneur en eau constante, avec une puissance de 6,67 kW.

La comparaison est plus parlante : chauffer 1500 m³/h de −18 °C à 22 °C sans récupération demanderait 23,2 kW. L’échangeur à plaques en couvre 16,53 kW, soit 71 %, et il reste à peine un tiers pour la batterie à eau chaude. C’est l’argument principal en faveur de la récupération de chaleur, traduit en chiffres concrets pour un état de base.

En sortie de batterie, l’humidité relative n’est toutefois que de 4,7 %. Le chauffage n’ajoute pas d’humidité, il ne fait qu’augmenter la pression de saturation — c’est pourquoi, en hiver, l’air des bâtiments sans humidification est sec : non pas à cause du chauffage lui-même, mais parce que l’air extérieur apporte très peu d’eau.

4. Humidification vapeur jusqu’à x = 5,83 g/kg

L’humidification par vapeur saturée à 150 °C porte la teneur en eau à la valeur visée de 5,83 g/kg. Cette cible n’a rien d’arbitraire : c’est exactement la teneur en eau de l’état de base du local, 20 °C / 40 %.

• consommation de vapeur : 10,5 kg/h, équivalent thermique 8,01 kW
• la température ne monte que de 22 °C à 23,0 °C ; l’état obtenu est 23,0 °C / 33,3 % HR
• l’enthalpie passe de 24,1 à 38,0 kJ/kg

C’est pourquoi l’humidification vapeur est dite quasi isotherme : l’enthalpie de l’air augmente de 13,9 kJ/kg, mais la quasi-totalité de cette hausse est de la chaleur latente contenue dans la vapeur d’eau (l’enthalpie de la vapeur saturée est de 2746 kJ/kg). L’air ne s’échauffe sensiblement que de 1 K. Dans le diagramme, l’évolution suit presque une isotherme.

Passez le type d’humidification à eau (adiabatique) et la différence saute aux yeux : l’évolution suit une droite d’enthalpie constante, la même quantité d’eau refroidit l’air de 22 °C à 9,6 °C à 78 % HR — et la batterie en amont devrait fournir d’autant plus de chaleur.

5. Déperditions du local : 1,88 kW

Le dernier nœud applique les déperditions thermiques du local. L’air soufflé les couvre par de la chaleur sensible ; il se refroidit donc à teneur en eau constante de 23,0 °C à 19,8 °C, et son humidité relative monte à 40,5 %.

La boucle est alors bouclée. L’état du local, 19,8 °C / 40,5 %, correspond à l’hypothèse de 20 °C / 40 % retenue au départ pour l’air extrait entrant dans la récupération. Le modèle est donc cohérent en lui-même. Si la fin de la chaîne était tombée ailleurs, ce serait le signal qu’il faut soit recalculer la récupération avec l’état réel de l’air extrait, soit lier l’entrée à un point pour que le côté extraction de l’échangeur reprenne automatiquement l’état du local.

Bilan aux conditions de base

• chaleur récupérée : 16,53 kW — 71 % du besoin total de chauffage
• batterie chaude : 6,67 kW
• humidification vapeur : 8,01 kW pour 10,5 kg/h de vapeur
• déperditions du local couvertes : 1,88 kW
• condensats côté air extrait de l’échangeur : 5,82 kg/h

À essayer dans le modèle

• Modifier l’efficacité du récupérateur à 60 % ou 85 % et observer comment la puissance se répartit entre récupération et batterie chaude — et ce que cela change pour la température de surface et le risque de givrage.
• Passer l’humidification en adiabatique et comparer la direction de l’évolution ainsi que le préchauffage nécessaire.
• Choisir une autre température extérieure selon le site — les données climatiques de l’application proposent des valeurs de base pour un lieu précis au lieu de −18 °C forfaitaires.
• Ajouter une charge d’humidité dans le local (occupants, process) : l’état du local se déplace vers une teneur en eau plus élevée, la cible d’humidification baisse, voire l’humidification devient inutile.