La récupération de chaleur

Pour le confort et la santé de ses occupants, tout bâtiment se doit de respirer. Par ses systèmes de ventilation, il fait entrer de l’air neuf et évacue de l’air vicié, et ce, toute l’année durant. En hiver, l’air neuf entrant est chauffé pour atteindre la température ambiante intérieure pendant que l’air vicié, qui est à la température ambiante intérieure, est évacué.

En été, si le bâtiment est climatisé, c’est l’inverse qui se produit. L’air entrant est refroidi et l’air vicié refroidi est rejeté. Il apparaît dans la logique de profiter de la chaleur ou de la fraîche de l’air rejetée pour chauffer ou refroidir l’air neuf entrant, et ce, par l’utilisation d’un récupérateur de chaleur sur le système de ventilation.

L’évacuation d’air vicié constitue un véritable petit gisement d’énergie et l’utilisation du récupérateur de chaleur permet d’exploiter ce gisement et de réaliser des économies substantielles. Si la présence d’un récupérateur de chaleur est chose normale dans les nouveaux édifices, ce n’est pas le cas dans les édifices plus anciens.

L’installation d’un récupérateur de chaleur est alors une mesure d’amélioration de l’efficacité énergétique fort intéressante qui, de surcroît, se réalise relativement bien. Il existe plusieurs types de récupérateurs de chaleur affichant plusieurs niveaux de performance et pouvant s’adapter à différentes installations.

Dans les bâtiments, de l’énergie est également utilisée pour la production d’eau chaude domestique. On rejette pourtant aux égouts des effluents chauds sans en récupérer la chaleur, qui pourrait contribuer au chauffage de l’eau chaude domestique.

Pour ce faire, il existe des récupérateurs de chaleur qui s’installent sur les drains d’égout des bâtiments. Une partie de la chaleur des effluents peut alors être transférée à l’eau d’alimentation du réservoir d’eau chaude domestique, permettant encore une fois de générer des économies. Un tel récupérateur de chaleur s’installe souvent aisément sur les systèmes en places dans les bâtiments existants.

Récupération sur l’air de ventilation

Différents types de systèmes permettent de récupérer la chaleur contenue dans l’air vicié évacué vers l’extérieur et la transmettre à l’air neuf entrant, ou vice-versa, selon que l’on est en saison de chauffage ou de climatisation. Dans certains cas, les modules de récupération de chaleur font partie intégrante d’une unité de ventilation complète, tel qu’il en est pratiquement toujours le cas dans le secteur résidentiel, ou encore, sont ajoutés à un système de ventilation existant.

Échangeur à plaques
Principe : l’échangeur à plaque est constitué d’une multitude de canaux d’air séparés par une multitude de parois, formant un sandwich de canaux d’air et de parois en alternance. L’air vicié sortant, qui circule dans un canal, transmet sa chaleur à l’air neuf entrant, qui circule dans le canal voisin, de l’autre côté de la paroi, par conduction au travers de cette dernière. Il en va de même au travers de chaque paroi formant l’échangeur à plaques. Les parois peuvent être faites d’aluminium, d’acier inoxydable ou de polymère et être de dimension et en nombre variable, affectant la performance de l’échangeur.
Application(s) : résidentielle et commerciale.
Particularités : son faible coût en fait une solution idéale pour la récupération sur de petits débits d’air, tel que dans le secteur résidentiel. Il est d’une fabrication simple, fiable et durable. Sa conception minimise les risques de contamination entre l’air neuf et l’air vicié.
Performance : efficacité thermique de 50 à 70 %.
Entretien : technologie nécessitant peu de maintenance, outre le nettoyage de ses filtres afin d’éviter son encrassement.

Échangeur à eau glycolée
Principe : l’échangeur à eau glycolée est comparable à deux radiateurs de voiture reliés ensemble par un circuit d’eau glycolée. L’air vicié sortant traverse un serpentin afin de transmettre sa chaleur à l’eau glycolée qui circule dans ce dernier. Cette eau en circulation transporte la chaleur vers l’autre serpentin, qui est traversé par l’air neuf entrant. La chaleur est alors transmise de l’eau vers l’air, via le serpentin.
Application(s) : commerciale.
Particularités : ce récupérateur de chaleur est particulièrement avantageux lorsque l’évacuation de l’air vicié et l’admission d’air neuf ne sont pas au même emplacement dans le bâtiment, pouvant s’échanger la chaleur à distance via le circuit d’eau glycolée. Il n’y a aucun risque de contamination entre l’air neuf et l’air vicié. En raison de la boucle d’eau glycolée, une petite installation a un coût de revient élevée.
Performance : efficacité thermique de 40 à 50 %.
Entretien : il faut conserver les surfaces d’échange propres et contrôler le circuit d’eau glycolée.

Échangeur à caloduc
Principe : l’échangeur à caloduc est composé d’une grappe de tubes verticaux légèrement espacés les uns des autres et partiellement remplis d’un liquide pouvant s’évaporer à une température relativement basse. L’air vicié sortant traverse la base de la grappe de tubes et transfert sa chaleur au liquide qu’ils contiennent, évaporant ce dernier. La vapeur monte dans la partie supérieure des tubes pour se condenser sur la paroi de ces derniers et céder sa chaleur à l’air neuf entrant, qui traverse la partie supérieure de la grappe de tubes. La vapeur condensée redescend par gravité à la base des tubes afin de s’évaporer à nouveau en collectant de la chaleur. À noter que chaque tube de la grappe traverse une cloison afin de séparer le débit d’air vicié, au bas des tubes, du débit d’air neuf, au haut des tubes.
Application(s) : commerciale.
Particularités : l’échangeur à caloduc nécessite peu d’espace. Il y a peu de risque de contamination entre l’air neuf et l’air vicié, mais le bris d’un des tubes pourrait contaminer l’air par le liquide caloduc.
Performance : efficacité thermique de 50 à 60 %.
Entretien : il ne nécessite que très peu d’entretien, essentiellement le nettoyage des surfaces d’échange.

Échangeur à régénération par roue thermique
Principe : la version la plus connue de l’échangeur à régénération est la roue thermique, laquelle est découpée dans un treillis alvéolé d’aluminium ou de polymère. L’air vicié sortant traverse le matériau alvéolé sur une moitié de la roue, ceci de façon à la réchauffer. L’air neuf entrant traverse le matériau alvéolé sur l’autre moitié de la roue et en sens inverse de l’air vicié. Lentement, et d’une façon continue, la roue tourne et transporte sa moitié réchauffée par l’air vicié du côté de l’air neuf pour y transférer sa chaleur. De chaque côté de la roue, une cloison sépare les débits d’air vicié et d’air neuf. Le matériau alvéolé qui compose la roue peut être imprégné d’un produit hygroscopique afin de retenir l’humidité contenue dans l’air vicié et la transmettre à l’air neuf.
Application(s) : commerciale et, parfois, résidentielle.
Particularités : lorsqu’imprégné d’un produit hygroscopique, le régénérateur permet de mieux contrôler les taux d’humidité du bâtiment, en hiver comme en été. Son encrassement et son risque de givrage en hiver sont moindres que pour les autres récupérateurs de chaleur. Il y a une légère contamination de l’air neuf par l’air vicié.
Performance : efficacité thermique de 60 à 80 %.
Entretien : le régénérateur est moins exigent au niveau du nettoyage, mais a des dispositifs mécaniques qui nécessitent une attention.

Échangeur à régénération par cassettes
Principe : des blocs, qui constituent les cassettes, sont faits d’une série de plaques d’aluminium espacées pour ainsi former un sandwich de plaques et de canaux d’air. Les cassettes sont traversées par l’air vicié et ensuite à contresens par l’air neuf. À chaque cycle, le matériau se charge premièrement de la chaleur de l’air vicié pour ensuite céder cette dernière à l’air neuf, lors de son passage à contresens. Le système fonctionne par paire de deux cassettes, de façon à ce que l’une d’elles soit traversée par le flot d’air sortant pendant que l’autre est traversée par le flot d’air entrant. Les flots d’air sont inversés périodiquement par un système de volets ou de clapet.
Application(s) : commerciale et, parfois, résidentielle.
Particularités : très peu de parties mobiles. Pas d’encrassement ni de givre. Il y a une certaine contamination de l’air neuf par l’air vicié.
Performance : efficacité thermique de 80 à 90 %.
Entretien : le peu de parties mobiles minimise l’entretien et le système est autonettoyant.

Récupération par pompe à chaleur
Principe : une pompe à chaleur est utilisée afin de récupérer la chaleur de l’air vicié sortant, tout comme elle le ferait normalement pour récupérer la chaleur de l’air à l’extérieur. La chaleur récupérée est généralement utilisée pour le chauffage de l’air neuf entrant ou pour le chauffage du bâtiment.
Application(s) : commerciale et résidentielle.
Particularité : c’est le système le plus performant en terme de récupération de chaleur, mais sa complexité, en raison de la pompe à chaleur, en fait également le système le plus coûteux à acquérir. La pompe à chaleur peut être jumelée à un circuit d’eau glycolée, donnant plus de flexibilité de conception. Il y a très peu de chance de contamination entre l’air neuf et l’air vicié.
Performance : la récupération de chaleur est totale, mais une certaine quantité d’énergie est requise pour ce faire.
Entretien : solution nécessitant le même entretien que tout autre système de thermopompe.

Récupération sur l’eau jetée aux égouts

Il existe quelques options permettant de conserver la chaleur des effluents rejetés aux égouts, de façon à préchauffer l’eau d’alimentation d’un chauffe-eau.

Récupérateur de chaleur sur drain vertical
Principe : le récupérateur de chaleur sur drain vertical est composé d’un tuyau de cuivre, qui fait office de drain d’égout, entouré sur sa longueur par un tuyau de cuivre de plus faible diamètre. L’effluent chaud, provenant du drain de la douche, coule dans le drain vertical et transmet sa chaleur au travers des parois du drain et du tuyau de cuivre pour réchauffer l’eau froide qui circule dans ce dernier et qui alimente le chauffe-eau.
Application(s) : résidentiel et commercial.
Particularité : la double paroi, créée par le drain et le tuyau de cuivre, minimise les risques de contamination entre l’eau propre et l’eau sale. Est utilisable que pour des applications qui consomment de l’eau chaude en même temps qu’il s’en rejette aux égouts, telle qu’une douche. C’est ce qui explique sont utilisation plus fréquente dans le secteur résidentiel. Le dispositif ne peut être installé qu’à la verticale.
Performance : peut faire économiser plus de 50 % sur les coûts de production de l’eau chaude sanitaire.
Entretien : aucun.

Récupérateur de chaleur sur drain horizontal
Principe : l’effluent chaud, provenant du drain de la douche, entre dans le récupérateur horizontal composé d’une multitude de canaux. La chaleur de l’effluent traverse la double paroi des canaux afin de réchauffer l’eau froide qui circule dans des canaux voisins et qui alimente le chauffe-eau. Les parois des canaux sont enduites d’un revêtement antiadhésif afin d’éviter toute accumulation de saleté provenant de la douche.
Application(s) : résidentielle et, parfois, commerciale.
Particularité : la double paroi minimise les risques de contamination entre l’eau propre et l’eau sale. Modèle nouvellement sur le marché qui est utilisable que pour des applications qui consomment de l’eau chaude en même temps qu’il s’en rejettent aux égouts.
Performance : à préciser.
Entretien : aucun.

*L’auteur est expert-conseil en énergie et bâtiment chez Écobâtiment

Sources :

• http://www.energieplus-lesite.be/energieplus/page_10864.htm
• http://faq.rncan.gc.ca/publications/infosource/pub/ici/caddet/francais/r355.cfm?attr=4