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Les centrales de traitement d'air équipées d'échangeurs de chaleur rotatifs avec un revêtement à sorption offrent d'importantes possibilités de réduction de la consommation énergétique et des émissions de carbone, tout en améliorant l'environnement intérieur.
Mais qu'est-ce qui les rend si avantageux ? Voici un guide étape par étape pour comprendre pourquoi cette technologie fonctionne si bien, avec une attention particulière sur les systèmes de refroidissement.
Technologie à sorption
Le matériau du revêtement à sorption a la capacité d'absorber l'humidité de l'air lorsque l'humidité est élevée et de la libérer lorsque l'humidité est faible. L'humidité est donc récupérée, ce qui signifie que nous obtenons une récupération d'énergie latente ainsi qu'une récupération d'énergie sensible.
En été, lorsque l'air extérieur est humide, l'humidité est retirée de cet air et transférée dans l'air extrait. A contrario, en hiver, l'air extérieur a une faible teneur en humidité,. Le revêtement à sorption récupère alors l'humidité dans l'air extrait et la libère dans l'air neuf. Cela présente deux avantages dans des conditions extérieures froides. Premièrement, l'augmentation de l'humidité dans l'air neuf est bénéfique pour la qualité de l'environnement intérieur et deuxièmement, puisque l'humidité est retirée de la roue, il y aura alors beaucoup moins de risque de gel. Le besoin de dégivrage est plus ou moins évité, permettant d’économiser de l’énergie sur le chauffage.
Le transfert d'humidité se produit lorsqu'il y a une différence d'humidité spécifique entre l'air extrait et l'air extérieur. La quantité transférée est donnée par le rendement de l'efficacité latente de la roue.
Efficacité latente de l'air soufflé = (x22-x21)/(x11-x21) %
X11 = humidité spécifique dans l'air extrait g/kg
X21 = humidité spécifique de l'air extérieur g/kg
X22 = humidité spécifique de l'air soufflé g/kg
Réduction de la puissance frigorifique
Grâce à la récupération de l'énergie latente dans la roue, nous réduisons considérablement la demande de puissance frigorifique dans le système de refroidissement. Et même avec un simple échangeur de chaleur en aluminium, nous obtenons une récupération sensible du refroidissement.
Ce diagramme illustre l'augmentation de la récupération de froid avec la roue ayant un revêtement à sorption. L'exemple est basé sur un air extérieur de 30°C et une température d'alimentation de 12°C. La roue sensible fournit environ 20% du refroidissement tandis que la roue à sorption est capable de fournir environ la moitié de la puissance de refroidissement. Cependant, ce résultat varie en fonction des conditions mais cela montre que la réduction de la puissance frigorifique est plus importante avec la roue à sorption.
Cette récupération du refroidissement latent signifie que nous pouvons réduire radicalement la taille de l’unité de refroidissement. Et si la capacité du refroidisseur et le système de distribution sont beaucoup plus petits, le coût d'installation sera plus faible. En outre, l’espace requis sera également plus petit de même que la charge de réfrigérant.
Réduction de l'énergie frigorifique
La réduction de l'énergie de refroidissement dépendra, bien sûr, des conditions climatiques. L'exemple suivant a été calculé avec les conditions suivantes :
Débit d'air : 7200 m3/hTempérature de l'air soufflé : 16° C
Température de l'air extrait : 22° C
- La roue à sorption a un rendement thermique de 82% et un rendement hygrométrique de 74% en été.
- La roue en aluminium a un rendement thermique de 82% en été.
- La perte de charge de la roue à sorption est d'environ 10 Pa de plus que celle de la roue en aluminium, la différence d'énergie au niveau du ventilateur est donc faible.
- Le premier diagramme montre la récupération du refroidissement en utilisant la roue en aluminium et le second diagramme montre le refroidissement récupéré en utilisant la roue à sorption.
Dans cet exemple, la réduction de la consommation d'énergie de refroidissement est proche de 50% dans les climats chauds de Milan et de Francfort, tandis que dans les endroits plus froid, elle est proche de 20%.
Enfin, par rapport aux équipements dédiés au refroidissement, les roues à sorption sont relativement simples, engendrant donc un coût de maintenance plus faible.
Réduction des pics de puissance
Il arrive que le temps apporte des températures et des niveaux d'humidité plus élevés, augmentant donc la température intérieure. La puissance de refroidissement récupérée de l'échangeur de chaleur est proportionnelle à la différence de température et d'humidité. Ainsi, lorsque les conditions extérieures augmentent et que la différence entre les conditions d'extraction et les conditions extérieures s'accroît, nous obtenons davantage de puissance récupérée.
Récupération de l'humidité
Par temps froid, l'air extérieur qui est chauffé aura un faible taux d'humidité et l'air intérieur deviendra sec. Dans ces conditions, et comme nous l’avions évoqué précédemment, la roue à sorption récupère l'humidité de l'air extrait et la renvoie dans l'air neuf, ce qui signifie que l'air intérieur est maintenu plus humide, donc plus confortable et hygiénique. Cependant, il peut être nécessaire d'ajouter de l'humidité en utilisant un humidificateur. La roue à sorption apporte alors l'avantage d'une charge d'humidification plus faible, ce qui rend l'installation moins coûteuse et les coûts de fonctionnement plus bas.
Dans cet exemple, l'air froid est chauffé par la roue jusqu'à 13°C pour être ensuite réchauffé à 20° C.
Avec la roue en aluminium, l'air soufflé a une humidité relative d'à peine 10% alors qu'avec celle à sorption, elle est supérieure à 25%.
Ligne rouge = roue en aluminium, Ligne verte = roue à sorption.
Réduction de la puissance d'humidification
Le diagramme montre que l'humidification est plus réduite avec la technologie à sorption: si nous supposons que l'air soufflé doit avoir une humidité relative de 30 à 40 %, alors au lieu de devoir ajouter environ 5-6 g d'humidité par kg d'air, nous n'aurons besoin d'ajouter que 2-3 g d'humidité en utilisant la roue à sorption. Le coût sera donc réduit de moitié.
Si vous utilisez un caisson adiabatique, la roue à sorption peut offrir l'avantage de réduire la puissance de réchauffage et la consommation d'eau.
Fuites
L'inconvénient des échangeurs de chaleur rotatifs est le problème des fuites internes entre l'air extrait et l'air soufflé. Mais s'ils sont correctement conçus et installés, ces fuites peuvent être réduites à moins de 1%. La roue doit être équipée de joints efficaces, d'un secteur de purge et le système doit être configuré avec un équilibre de pression correct.
Pour obtenir l'équilibre de pression correct, les ventilateurs doivent être correctement positionnés. Les ventilateurs de soufflage et d'extraction sont mieux placés en amont de la roue dans leurs flux d'air respectifs. Il sera souvent nécessaire d'introduire un dispositif de réduction de pression dans l'air extrait.
Conclusion
La capacité de la roue à sorption à récupérer le froid sensible et latent a un impact profond sur la demande de puissance frigorifique et la consommation d'énergie de refroidissement. Il est alors possible d'installer un système de refroidissement plus petit, ce qui permet de gagner de l'espace et de réduire les coûts. Un refroidisseur plus petit signifie également une quantité réduite de réfrigérant. Tout compte fait, une roue avec un revêtement à sorption présente un certain nombre d'avantages significatifs en termes d'économies d'énergie et de réduction des coûts d'investissement, tout en garantissant un niveau plus élevé de confort et de bien-être.
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