CHAPITRE 11 ÉLEMENTS DE GESTION DE L ÉNERGIE ET DE LA DEMANDE 11.1. Gestion de l appel de puissance Pour optimiser l appel de puissance les étapes suivantes sont proposées : 1. Etablir le profil de la puissance électrique durant les mois où cette puissance est la puis élevée 2. Relever dans l immeuble toutes les charges électriques qui peuvent être interrompues pendant au moins 15 minutes. Il s agit en particulier des appareils suivants : Les éléments électriques servant au chauffage de l eau chaude domestique ; Les systèmes de ventilation comportant du chauffage électrique ou des moteurs puissants et desservant un espace non critique ; Les appareils de chauffage dans les entrées, les escaliers et autres espaces de circulation ; De grosses pompes de circulation d eau chaude de chauffage ou d eau glacée ; Les humidificateurs électriques ; Les circuits électriques des prises de courant extérieures si elles sont utilisées durant les jours ; Les séchoirs électriques de la buanderie (à certaines heures du jour) ; L éclairage extérieur (en hiver) ; 3. Avec l aide des enregistrements et de l inventaire des charges interruptibles, examiner si l arrêt de ces charges permettra de baisser, d une façon significative, l appel de puissance ; Si à la suite des étapes ci-dessus les réponses sont positives, plusieurs actions sont possibles comme par exemple : S il n y a qu une ou deux charges interruptibles et que les périodes de pointe surviennent à des moments prévisibles, une minuterie mettant les systèmes à l arrêt aux périodes de pointes sera la solution la plus économique. Si, par contre, la période de pointe est imprévisible, un petit contrôleur de pointe peut être installé pour interrompre ces charges au moment des périodes de pointe seulement ; Si le nombre de charges interruptibles est élevé et que le moment de l appel maximal est imprévisible, il faut installer les contrôleurs automatiques conçus à cette fin. MEC-733 11-1
11.2 Accumulation de chaleur Les accumulateurs de chaleur ont pour but de stocker momentanément de l énergie non utilisable immédiatement en vue de s en servir ultérieurement. Les accumulateurs de chaleur utilisés quotidiennement sont par exemple les réservoirs de stockage pour l eau chaude sanitaire. On distingue le stockage par chaleur sensible (utilisant l'eau ou les lits de pierres comme la matière accumulatrice), par chaleur latente et le stockage chimique. L'eau est un fluide ayant capacité thermique plus élevée que les galets et par conséquent elle nécessite un volume moins important. Les galets sont utilisés surtout dans les systèmes à air. Dans le stockage par chaleur latente, on profite la chaleur de changement de phase solide-liquide de certains produits (par exemple : sulfate de sodium Na 2 SO 4 ou certaines paraffines). On peut stocker de l'énergie au niveau de température choisie en choisissant le type de matériau de stockage adéquat. Le volume de ce type de stockage est plus petit que celui à eau, mais il y a beaucoup de problèmes au niveau d'application de ce type de stockage. Les accumulateurs de chaleur ont une application, par exemple, dans les systèmes de chauffage solaire. Dans les accumulateurs à eau il est très important de prendre en considération la stratification de température dans le ballon de stockage. Les tuyauteries de l'eau provenant des capteurs et de l'eau vers le système de chauffage doivent être branchées à la partie supérieure du ballon, tandis que celles de l'eau de retour de chauffage et de l'eau vers les capteurs doivent être branchées à la partie inférieure du ballon. Les figures ci-dessous montrent les accumulateurs à eau et par un lit de pierres. Accumulateur à eau favorisant la stratification de températures Accumulateur utilisant un lit de pierres Les accumulateurs fonctionnent dans le mode de charge et de décharge. Parfois la charge et la décharge se produisent en même temps que la demande de chauffage ou de refroidissement. La figure ci-dessous présente toutes les possibilités relatives au fonctionnement d un système comportant un accumulateur de chaleur. MEC-733 11-2
Modes d opération d un accumulateur 11.2.1. Accumulation de chaleur appliquée aux systèmes de refroidissement (accumulation de l eau glacée ou de la glace) L application beaucoup plus importante du point de vue de la gestion de la demande est l accumulation de la glace ou de l eau glacée. Les avantages de ce type d accumulation de chaleur sont les suivants : Réduction de la puissance frigorifique de design des refroidisseurs et par conséquent de coût d investissement Réduction de coût d opération qui résulte de la diminution de l appel maximale électrique pendant le jour ainsi que, dans certains cas, des tarifications spéciales d électricité pendant la nuit Économie d énergie. Même si les accumulateurs de chaleur ne sont pas reconnus comme les appareils permettant une économie d énergie significative, elles assurent la meilleure performance des refroidisseurs pour les raisons suivantes : MEC-733 11-3
les refroidisseurs fonctionnent souvent à pleine charge le fonctionnement pendant les nuits permet de baisser la température de condensation des refroidisseurs. Ajout de la flexibilité au niveau de système de contrôle des systèmes CVCA desservis par les refroidisseurs. Pour dimensionner un accumulateur de glace il faut absolument analyser les profils journaliers de la charge frigorifique. Une analyse de la charge du jour de design est au moins requise pour ce design. La figure ci-dessous montre un profil de la charge pour un bâtiment dont la charge maximale est de 20 tonnes de réfrigération. Profil journalier de la charge frigorifique On peut constater que la charge frigorifique journalière relative à la période d occupation est de 205 tonne-heures, mais la charge journalière relative à 24 heures comprend aussi la charge résultant de l accumulation de chaleur dans les éléments de construction de bâtiment. Deux scénarios sont possibles. Le premier consiste à sélectionner un accumulateur partiel avec un refroidisseur de 10 tonnes qui fonctionne 24 heures sur 24 comme présenté sur la figure ci-jointe. Deuxième scénario consiste à sélectionner un accumulateur complet permettant, avec un refroidisseur de 24 tonnes, de stocker l énergie pendant 10 heure durant la nuit et de la restituer pendant 14 heures de la période d occupation. Ce deuxième scénario est présenté sur la figure. L accumulation de glace est particulièrement intéressante dans les cas de systèmes caractérisés par les courtes périodes de la charge frigorifique, comme par exemple dans une aréna ou dans une église. Les profils types pour ces deux types de bâtiments sont présentés sur les figures cijointes. MEC-733 11-4
Machine fonctionnant 24 heures sur 24 Machine fonctionnant 10 heures sur 24 Le profil frigorifique pour une aréna Le profil frigorifique pour une église 11.2.2. Accumulateur de l eau glacée La figure ci-dessous présente les éléments de contrôle d un système comportant un accumulateur de l eau glacée. MEC-733 11-5
Schéma de fonctionnement d un accumulateur de l eau glacée La demande de climatisation est couverte par le refroidisseur jusqu à certaine fraction de sa capacité au-dessous de laquelle le refroidisseur fourni l eau glacée au système de climatisation et à l accumulateur. Plusieurs possibilités de l accumulation de l eau glacée sont présentées sur les figures ci-dessous. Dans chaque cas on applique la stratification de températures dans l accumulateur soit par le phénomène naturel, soit par l utilisation d un diaphragme soit par l utilisation des plusieurs réservoirs. La stratification de températures dans un accumulateur MEC-733 11-6
Accumulateur avec une membrane flexible Système comportant plusieurs réservoirs 11.2.3. Accumulateurs de la glace Générateur de glace solide dont le principe consiste à faire circuler le glycol à une température inférieure à 0 o C dans un serpentin situé dans un réservoir (figure ci-joint). 10% du volume est occupé par le serpentin, 10% est vide pour l augmentation de volume de glace et le reste est de l eau qui devient la glace pendant le chargement de l accumulateur. La glace solide se forme autour du serpentin. Pendant la décharge le glycol récupère le froid de la glace formée dans le réservoir. Accumulateur de glace MEC-733 11-7
La figure ci-dessous présente trois modes d opération d un système comportant un accumulateur de glace. Générateur de glace comportant les capsules remplies de l eau de-ionisée et les agents permettant l accélération de la formation de glace. Les capsules sont présentées sur les figures ci-dessous. Elles sont placées dans un réservoir dans lequel circule le glycol à la température inférieure à 0 o C. Générateur de flocons de glace, dont le schéma est présenté ici, forme les minces flocons de glace de 6 à 10 mm de l épaisseur qui sont emmagasinés dans un réservoir. La décharge est réalisée en utilisant un serpentin placé dans ce réservoir ou en faisant circuler l eau glacée directement dans le réservoir. Mode d opération d un accumulateur de glace Les capsules utilisées dans les générateurs de glace MEC-733 11-8
Schéma d un générateur de flocons de glace 11.2.4. Analyse économique de l option de l accumulation de l eau glacée ou de la glace. Une analyse du profil de la charge du jour de design est suffisante pour dimensionner le système d accumulation, mais pour démontrer la rentabilité du système une analyse plus profonde est nécessaire. Une simulation du système ou du bâtiment heure par heure est dans ce cas recommandée parce qu elle permet de prendre en considération les charges horaires du bâtiment et la variation de tarife d électricité s il y a lieu. Le minimum requis est une analyse relative aux jours représentatifs pour quatre saisons. Il est à noter que, s il n y a qu un seul compteur d électricité dans le bâtiment, cette analyse doit tenir compte de l appel de puissance du bâtiment et ne pas seulement de l appel électrique de la machine frigorifique. Les figures ci-dessous présentent l opération d une machine de 500 tonnes de puissance couvrant les besoins d un bâtiment dont la charge maximale est de 1200 tonnes. On peut constater que l opération favorise le chargement partiel de l accumulateur, juste pour répondre aux besoins pendant les périodes de faible charge. Cette opération permet de minimiser les pertes d énergie d accumulateur (les gains de chaleur). Accumulateur partiel avec le refroidisseur de 500 tonnes couvrant la demande de 1200 tonnes (fonctionnement en période d été) MEC-733 11-9
Accumulateur avec le refroidisseur de 500 tonnes fonctionnant en automne Accumulation complète avec le refroidisseur de 500 tonnes fonctionnant en hiver MEC-733 11-10
11.2.5. Dimensionnement d un accumulateur de l eau glacée ou de la glace et d un refroidisseur Le bilan thermique suivant sert à dimensionner le refroidisseur et l accumulateur 24 1 ch arge frigorifique = 24 1 capacité de refroidisseur 24 1 gains de chaleur Dans la première approche de dimensionnement, les gains de chaleur de l accumulateur peuvent être négligés. La charge frigorifique est déterminée à partir de la charge de climatisation du bâtiment. La capacité frigorifique de refroidisseur peut varier pour les raisons suivantes : elle dépend de conditions extérieures qui influencent la température de condensation elle dépend de la température d évaporation qui pourrait être presque constante dans le cas d accumulateur de l eau glacée, mais elle varie dans le cas d accumulateur de la glace (par exemple : -2 o C pendant le mode de chargement d accumulateur et 6 o C pendent le mode de décharge et refroidissement directe lorsque la machine frigorifique couvre partiellement la charge frigorifique du bâtiment) elle peut être limitée pendant la période de pointe lorsque la machine frigorifique couvre partiellement la charge frigorifique du bâtiment Il en résulte que cette capacité peut être déterminée par l équation suivante : 24 1 capacité de refroidisseur= H chrg C chrg + H RDpp C RDpp + H RDphp C RDphp H chrg C chrg H RDpp C RDpp H RDphp C RDphp nombre d heures de fonctionnement de la machine en mode de chargement capacité de la machine fonctionnant en mode de chargement nombre d heures de fonctionnement de la machine en mode de refroidissement directe pendant la période de pointe capacité de la machine fonctionnant en mode de refroidissement directe pendant la période de pointe nombre d heures de fonctionnement de la machine en mode de refroidissement directe en dehors de la période de pointe capacité de la machine fonctionnant en mode de refroidissement directe en dehors de la période de pointe La capacité frigorifique nominale du refroidisseur peut être donc déterminée de l équation suivante : C nominale = H crhg CR 24 1 crhg charge + H RDpp frigorifique CR RDpp + H RDphp CR ou CR est le rapport entre la capacité de la machine pendant la période donnée et sa capacité nominale. RDphp MEC-733 11-11
La capacité d accumulateur est déterminée par l équation suivante : CT RDpp CT RDphp CT RDchrg C accumualteur= charg e frigorifique + 1 ( CTRDpp+ CTRDphp CTRDchrg ) capacité totale de la machine fonctionnant en mode de refroidissement directe pendant la période de pointe capacité totale de la machine fonctionnant en mode de refroidissement directe en dehors de la période de pointe capacité totale de la machine fonctionnant en mode de refroidissement directe pendant la période de chargement de l accumulateur La capacité ainsi déterminée n est que la capacité nominale. Pour déterminer la capacité actuelle de l accumulateur il faut prendre en considération les caractéristiques de l accumulateur pendant la charge et la décharge et leur interaction avec la charge frigorifique du bâtiment et la machine frigorifique. Exemple de dimensionnement Dans l exemple ci-dessous on admet que cette capacité ne dépend que de la température d évaporation. La charge horaire pour le jour de design est présentée ci-dessous MEC-733 11-12
Heure Occupation Type de tarif Q totale scénario 1 scénario 2 scénario 3 scénario 4 tonnes eau glacée glace + eau glacée eau glacée glace + eau glacée glace + eau glacée 1 inoccupé tarif 2 0 CH CH CH CH CH CH 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 occupé 845 DCH CH 1355 + RD 845 CH 1277 + RD 845 CH 622 + RD 845 CH 400 + RD 845 CH 715 + RD 845 9 2623 DCH + RD 2200 RD 2623 DCH 1156 + RD 1467 DCH 845 + RD 1778 DCH 395 + RD 2228 10 2973 DCH + RD 2200 RD 2973 DCH 1506 + RD 1467 DCH 1195 + RD 1778 DCH 745 + RD 2228 11 tarif 1 3353 DCH DCH DCH 1886 + RD 1467 DCH 1575 + RD 1778 DCH 2239 + RD 1114 12 3647 DCH 2180 + RD 1467 DCH 1869 + RD 1778 DCH 2533 + RD 1114 13 3824 DCH 2357 + RD 1467 DCH 2046 + RD 1778 DCH 2710 + RD 1114 14 3899 DCH 2432 + RD 1467 DCH 2121 + RD 1778 DCH 2785 + RD 1114 15 3856 DCH 2389 + RD 1467 DCH 2078 + RD 1778 DCH 2742 + RD 1114 16 3702 DCH 2235 + RD 1467 DCH 1924 + RD 1778 DCH 2588 + RD 1114 17 3432 DCH 1965 + RD 1467 DCH 1654 + RD 1778 DCH 2318 + RD 1114 18 3052 DCH 1585 + RD 1467 DCH 1274 + RD 1778 DCH 1938 + RD 1114 19 inoccupé 0 CH CH CH CH CH 20 0 21 0 22 tarif 2 0 23 0 24 0 35206 MEC-733 11-13
Scénario no 1 accumulation totale pendant la période inoccupée (13 heures) Capacité da la machine frigorifique C C no min ale = 2708. 15 accumualteur = 13 35206 h 1.0 tonnes = 35206 () 0 = 35206tonne heures Scénario no 2 charge de climatisation pendant la période avec le tarif 1 est entièrement couverte par l accumulateur L accumulateur de l eau glacée Cno ale 2200tonnes 16 35206 min = h 1.0 = C accumualteur ( 2h 2200+ 845) = tonne heures = 35206 29961 L accumulateur de la glace. On admet que pendant la période de charge sa capacité est 70% de la capacité nominale Cno ale 2983tonnes 14h 0.7 35206 min = + 2h 1.0 = La capacité nominale est supérieure à la charge de 9 à 10 heures. Cette charge à 9h est de 88% et à 10h de 99% de la capacité nominale. La correction de la capacité de la machine est donc suivante : C 35206 nomin ale= = 3017tonnes 14h 0.7+ 1h 0.88+ 1h 0.99 Avec cette capacité les fractions pour 9h et 10h sont respectivement 0.87 et 0.99 donc semblables aux fractions précédentes. C accumualteur ( 2973 2623 845) = tonne heures = 35206 28800 Scénario no 3 Accumulation partielle. La charge pendant la période avec le tarif 1 est partiellement couverte par la machine frigorifique On admet dans ce scénario que la capacité de la machine pendant la période de pointe fonctionne à sa pleine capacité. MEC-733 11-14
L accumulateur de l eau glacée C 35206 nomin ale= = 1467tonnes 14h 1.0 + 10h 1.0 La capacité de la machine ainsi déterminée est inférieure à la charge frigorifique du bâtiment pendant 10 heures. La charge frigorifique durant cette période sera donc couverte par la décharge d accumulateur et par le refroidissement direct (machine frigorifique). C accumualteur ( 10h 1467+ 845) = tonne heures = 35206 19691 L accumulateur de la glace C 35206 nomin ale= = 1778tonnes 14h 0.7+ 10h 1.0 C accumualteur ( 10h 1778+ 845) = tonne heures = 35206 16581 Scénario no 4 Accumulation partielle. La charge pendant la période avec le tarif 1 est partiellement couverte par la machine frigorifique dont la capacité est limitée à 50% Il s agit du scénario semblable au scénario no 3 sauf que la capacité de la machine pendant la période de pointe (de 11 à18h) ne doit pas dépasser 50% de la capacité nominale. L accumulateur de la glace C 35206 nomin ale= = 2228tonnes 14h 0.7+ 8h 0.5+ 2 1.0 C accumualteur ( 8h 2228 0.5+ 2h 2228 1.0 + 845) = tonne heures = 35206 21000 Résumé des résultats Scénario Type d accumulateur Capacité de la machine Capacité de l accumulateur Tonnes Tonne-heures 1 Eau glacée 2708 35206 2 Eau glacée 2200 29961 2 Glace 3017 28800 3 Eau glacée 1467 19691 3 Glace 1778 16581 4 Glace 2228 21000 MEC-733 11-15
11.3. Récupération de chaleur La récupération de chaleur d un liquide à l autre liquide est réalisée à l aide des échangeurs de chaleur types utilisés dans ces types d applications. Par conséquent, on présente ci dessous seulement la problématique relative aux récupérateurs de chaleur air-air qui servent, par exemple, à récupérer la chaleur dans les systèmes de climatisation ou de ventilation, dans les chaufferies pour préchauffer l air de combustion ou dans les procédés industriels où on rejet le gaz à haute température. Différentes méthodes de récupération d énergie thermique Rendement d un récupérateur de chaleur air-air peut être déterminé en utilisant les formules valables pour l efficacité des échangeurs de chaleur. Étant donné que dans un récupérateur il y a l échange de chaleur sensible seule ou de chaleur sensible et de chaleur latente, (variations de température et d humidité), on distingue dans ce cas les rendements de température, d humidité et d enthalpie (appelé aussi rendement total). Il faut quand même mentionner que dans certains récupérateurs, lorsque la température de l air chaud descend au-dessous de la température de point de rosés, l échange de la chaleur sensible et de la chaleur latente peut se produire sans tout de même de l échange de l humidité. La récupération de l humidité pourra être souhaitée dans les climats chaud et humide, où cela permet de déshumidifier partiellement l air extérieur, ou dans le climat froid et sec où cela permet de l humidifier partiellement de l air extérieur. La formule générale pour déterminer ces rendements est ci-dessous : Ws ε = Wmin ( X 2 X1) ( X 3 X1) We = Wmin ( X 3 X 4) ( X 3 X1) MEC-733 11-16
ε rendement de température ou d humidité ou total X humidité absolue, température sèche ou enthalpie appliquées selon le type de calcul W s débit massique (ou débit massique * chaleur spécifique) de l air soufflé W e débit massique (ou débit massique * chaleur spécifique) de l air évacué W min valeur minimale de deux valeurs W s et W e Les paramètres de l air soufflé et de l aie évacué à la sortie sont déterminés par les formules suivantes : X 2= X1+ ε ( Wmin ) ( X1 X 3) X 4= X 3 ε ( Wmin ) ( X1 X 3) Ws We Pour déterminer le rendement annuel de la récupération de chaleur on peut faire la simulation en utilisant le fichier météorologique adéquate ou on peut utiliser les courbes de fréquence de la température ou de l enthalpie de l air extérieur présenté sur la figure ci-dessous Température de l air soufflé égale à la température de l air évacue Température de l air soufflé égale à 16 o C MEC-733 11-17
11.3.1. Échangeur de chaleur à plaques (Fixed Plate) Il s agit des échangeurs dans lesquels les flux d air sont séparés les unes des autres par des plaques de faible épaisseur en verre, aluminium, matière plastique, etc. La distance entre les plaques est très réduite de 5 à 10 mm. La perte de charge sur l air est entre 100 et 250 Pa. Les figures ci-dessous présentent cet échangeur et son application dans un système de climatisation. Schéma d échangeur à plaques L efficacité et la perte de charge Schéma d installation comportant un échangeur de chaleur à plaque 9.3.2. Échangeurs de chaleur rotatifs (roues thermiques Rotary Wheel) Un matériau accumulateur en rotation lente (5 à 10 tr/min) est traversé dans une direction par l air évacué et dans l autre par l air neuf. Le matériau accumulateur est alternativement traversé par les flux d air chaud et froid. Le matériau se compose de feuilles très minces en aluminium ou non roulée en cylindre et formant de très nombreux petits canaux dont le diamètre hydraulique avoisine 1.5 mm. Le schéma de l échangeur ainsi que son application dans un système de climatisation sont présentés sur les figures ci-dessous. En vue d éviter le mélange d air neuf et d air évacué, il est prévu un secteur de nettoyage dans lequel l air évacué est chassé par l air neuf. On place autant que possible les ventilateurs en aval de l échangeur de chaleur rotatif. MEC-733 11-18
Il existe les modèles utilisant différents matériaux de remplissage comme par exemple : aluminium, acier inoxydable, matière synthétique imprégné ou non d un produit dessiccatif. Le dernier remplissage permet de transférer la chaleur sensible et l humidité ce qui pourrait être dans certains cas à l origine de transfert d odeurs ou de germes. Schéma d un échangeur rotatif Insertion d un échangeur rotatif dans un système de climatisation 11.3.3. Récupération de chaleur en utilisant le fluide intermédiaire (Runaround Coil Loop) Ce système comporte deux serpentins et une pompe formant une boucle fermée dans laquelle circule le fluide caloporteur, l eau ou le glycol. C est un système qui convient très bien dans les cas d installations dans lesquelles les conduits d air neuf et d air évacué sont éloignés l un de l autre. La figure ci-dessous présente ce système. MEC-733 11-19
Schéma d un système de récupération de chaleur utilisant un fluide intermédiaire 11.3.4. Caloducs (Heat Pipes) Un caloduc est un tube sous vide contenant un fluide caloporteur qui se vaporise et se liquéfie à une température constante. Tel que montré sur le schéma ci-joint, l air chaud (évacué) assure la vaporisation du fluide dans la moitié inférieure du tube alors qu il y a une condensation due à l air neuf dans la moitié supérieure du tube, les phénomènes qui assurent la circulation du fluide caloporteur par thermosiphon. Dans la position horizontale, pour assurer le retour du fluide, la paroi intérieure du tube est tapissée d un matériau poreux dont l action est due à la force capillaire. Schéma d un caloduc et d un échangeur de chaleur composé des caloducs MEC-733 11-20
Rendement d un échangeur de chaleur composé des caloducs Schéma d un système de ventilation comportant un échangeur de chaleur composé des caloducs 11.3.5. Récupération de chaleur totale (Twin Tower Enthalpy Rcovery Loops) Le schéma de ce système est présenté sur la figure ci-dessous. La chaleur de l air évacué est récupérée par l intermédiaire du liquide qui est souvent la solution de chlorure de lithium et l eau. MEC-733 11-21
Schéma d un système de récupération de chaleur totale 11.3.6. Comparaison des récupérateurs de chaleurs Le résumé portant sur la comparaison de différents récupérateurs de chaleur est présenté sur le tableau ci-joint. Les éléments qui doivent être prises en considération sont entre autres : encrassement de la surface de chauffe corrosion fuite d air provoquant le mélange d air évacué et d air neuf condensation d eau dans l air évacué et la possibilité de formation de givre ou de congélation si l air neuf est à une faible température perte de charge augmentant la pression des ventilateurs vitesse de l air à l entrée du récupérateur configuration des flux d air qui peuvent être en contre courant, en co-courants, en croisé filtration d air contrôle exigé par l insertion du récupérateur dans le système MEC-733 11-22
11.3.7. Application de la récupération d énergie Les formules suivantes sont utilisées pour déterminer la quantité de chaleur récupérée : q = Q ρ ( hin hout ) q = Q ρ c p ( tin tout ) total On peut distinguer les étapes suivantes nécessaires pour l application de la récupération de chaleur 1. Calcul de la chaleur maximale théoriquement récupérable ou l humidité maximale théoriquement récupérable sensible = Q ρ ( h3 1) q = Q ρ c p ( t3 1) W h, max= Q ρ ( W3 W 1) q total, max min h sensible, max min t 2. Établissement des rendements correspondant au transfert de chaleur réalisé min MEC-733 11-23
Il s agit des rendements de température ε t, d humidité ε h et total ε tot. Ce rendement doit être donné par le manufacturier. Si les débits d air sont identiques, ils dépendent des paramètres de construction de l échangeur (dimensions, matériau utilisé, configuration des flux d air), et des paramètres d air aux entrées et aux sorties de l échangeur. Le manufacturier doit spécifier si le rendement était déterminé avec ou sans la condensation, ainsi que si le rendement était déterminé respectant la norme de l ASHRAE 84. Les pertes de charge pour chaque flux d air pour les conditions de design doivent être aussi déterminées à partir des données du manufacturier. 3. Calcul de transfert réel de chaleur et de l humidité Les formules utilisées : q actuelle = ε qmax W h, actuelle=ε W h, max où q et ε peuvent être soit sensibles soit totales. 4. Calcul des paramètres de l air à chaque sortie Dans la présence de la condensation le bilan thermique présenté sur la page 12 de ce chapitre n est plus valide, mais étant donné que la fraction de la quantité de chaleur transférée pendant la condensation est faible, on admet souvent que le rendement total est égal au rendement sensible. 5. Vérification de l égalité des flux de chaleur cédé et absorbé par les flux d air 6. Présentation des paramètres de l air aux entrées et aux sorties de l échangeur sur le diagramme psychrométrique Exemple de la récupération de chaleur en hiver (sans condensation) L air évacue est à la température 23 o C et 10% de l humidité relative. Le débit est de 5 m 3 /s L air neuf est à 18 o C et à 60% de l humidité relative. Le débit est aussi de 5 m 3 /s Le rendement de l échangeur de chaleur est de 60% très peu probable. Présentant les paramètres d entrée sur le diagramme psychrométrique on peut constater que la condensation est q max = 1.2 * 5 * 1.0 * (23 (-18)) = 246 kw ε t = 60% MEC-733 11-24
q actuelle = 0.6 * 246 = 148 kw températures finales de l air neuf et de l air évacué t 6.6 1.2 148 2 = 18+ = o C t 1. 6 5 1.0 1.2 148 4= 23+ = o C 5 1.0 Exemple de la récupération de chaleur en hiver (avec condensation) L air évacue est à la température 23 o C et 28% de l humidité relative. La densité de l air ρ = 1.2 kg/m 3. Le débit est de 5 m 3 /s. L air neuf est à 10 o C et à 50% de l humidité relative. La densité de l air ρ = 1.34 kg/m 3. Le débit est aussi de 4.5 m 3 /s. Le rendement de l échangeur de chaleur est de 70% débit massique de l air neuf (1.34 * 4.5 = 6.03). Le débit massique de l air évacué (1.2 * 5 = 6.0) est inférieure au q max = 1.2 * 5 * 1.0 *(23 (-10)) = 198 kw ε t = 70% q actuelle = 0.7 * 198 = 139 kw Sur le diagramme psychrométrique on trouve l enthalpie de l air évacué à l entrée qui est de 35.5 kj/kg. Ensuite on trouve la température finale de l air neuf et l enthalpie finale de l air évacué t 139 2 = 10+ = 13.0 oc h 12. 3 1.34 4.5 1.0 1 139 4 = 35.5+ = kj/kg.2 5 La température de l air saturé dont l enthalpie est de 12.3 kj/kg est de 1.6 o C. 11.3.7.1. Analyse de l application des rrécupérateurs de chaleur dans les systèmes de climatisation avec la recirculation d air de retour. La figure ci-dessus présente l emplacement d un récupérateur de chaleur (HR/C) dans un système de climatisation. L impact de l utilisation d un récupérateur dépend fortement de pourcentage d air frais. La figure ci-dessous présente les courbes suivantes : la fréquence de température de l air extérieur pour Montréal (t ext ) la température des locaux (t int ) en fonction de la température extérieure : MEC-733 11-25
si t ext <=72 o F t int =72 o F si t ext >72 o F t int varie linéairement de 72 à 75 o F la température de soufflage (t s ) en fonction de la température extérieure (semblable à la variation appliquée au système VAV) : si t ext <=55 o F t s = 60 o F si t ext >60 o F t s = 55 o F si 55>t ext <60 t s varie linéairement de 60 à 55 o F la température à la sortie du récupérateur de chaleur (t récupérateur ) en admettant le rendement de 60% la température de mélange de l air de retour (80%) et de l air extérieur (20%) la température de mélange de l air de retour (40%) et de l air extérieur (60%) Si le pourcentage de l air frais est de 20% il résulte de l analyse de cette figure que le récupérateur n est utile que pendant environ 1000 heures lorsque la température extérieure est inférieure à 10 o F (-12.22 o C) et environ 760 heures lorsque la température extérieure est supérieure à 72 o F. Si le pourcentage de l air frais est de 60% cette période est beaucoup plus longue c est-à-dire environ 5000 heures lorsque la température extérieure est inférieure à 50 o F (10 o C) et environ 760 heures lorsque la température extérieure est supérieure à 72 o F. Il est évident que l utilisation des récupérateurs peut être beaucoup plus rentable lorsque le système de climatisation ou de ventilation fonctionne à 100% de l air frais. La deuxième figure présente les mêmes courbes mais avec la température de soufflage qui varie linéairement en fonction de la température extérieure de la façon suivante : si t ext = -17 o F t s = 90 o F si t ext = 90 o F t s = 55 o F si -17>t ext <90 t s varie linéairement de 90 à 55 o F La variation semblable peut avoir lieu dans les systèmes de climatisation à débit constant qui assure aussi le chauffage. MEC-733 11-26
90 o F 80 70 60 t int 20% 50 t récupérateur t s 40 30 20 10 0-10 60% t ext -20 1 1001 2001 3001 4001 5001 6001 7001 8001 heures 90 80 70 60 50 40 30 o F t s t int 20% 60% t récupérateur t ext 20 10 0-10 -20 1 1001 2001 3001 4001 5001 6001 7001 8001 heures MEC-733 11-27