Les VRE sont beaucoup moins sensibles au gel que les VRC et sont donc considérés comme le meilleur choix pour la ventilation dans des conditions climatiques extrêmes.
Seuils de gel et méthodes de contrôle pour les VRE et les VRC
Les structures devenant de plus en plus étanches, le simple fait de compter sur l’air extérieur pour trouver un chemin à l’intérieur n’est plus suffisant. La ventilation mécanique est recommandée pour une qualité optimale de l’air intérieur (QAI) et, dans ce cadre, une ventilation équilibrée est le meilleur choix. Pour ce faire, vous pouvez utiliser un ventilateur à récupération d’énergie (VRE ) ou un ventilateur à récupération de chaleur (VRC).
La pandémie de COVID-19 a servi de catalyseur à l’augmentation de la ventilation dans les structures de tous types. Le remplacement de l’air vicié de l’intérieur par de l’air frais et filtré de l’extérieur réduit considérablement les virus en suspension dans l’air et contribue à enrayer la propagation des maladies. À l’avenir, les taux de ventilation continueront d’augmenter pour préserver la santé des occupants, même après la fin de la pandémie. L’augmentation de la ventilation est là pour rester.
Par conséquent, les bâtiments plus sains ne sont plus un objectif noble, mais une nécessité pour améliorer le bien-être des occupants, avec une meilleure ventilation comme base. Il existe donc de nouvelles normes de construction, telles que le WELL Health-Safety Rating, qui permettent de classer certaines structures comme étant optimales pour la santé des occupants.
Quelle est la différence entre un VRC et un VRE ? C’est très simple. Un VRC ne récupère que la chaleur, alors qu’un VRE récupère à la fois la chaleur et l’humidité. Cela signifie qu’un VRE récupère l’énergie totale composée de chaleur (énergie sensible) et d’humidité (énergie latente). Bien que la différence entre les VRC et les VRE soit simple, elle a un impact majeur sur les performances dans les climats plus froids. Cela est dû à la question du gel, qu’ils traitent chacun de manière unique. Voyons ce qu’il en est.
VRC et givre
Les VRC ont besoin d’un contrôle du gel
Dans le cas d’un VRC, si l’air sortant est suffisamment humide et l’air entrant suffisamment froid, du givre se formera dans le noyau. De plus, les VRC sont dotés d’un bac de récupération et d’une conduite de condensat pour évacuer l’excès de liquide, et ces deux éléments sont susceptibles de givrer. En général, les noyaux des VRC se couvrent de givre lorsque la température extérieure descend à moins de 20 degrés Celsius. Lorsque le gel se produit, il restreint le flux d’air et entrave le processus de ventilation
Il existe plusieurs stratégies de prévention du gel et de dégivrage pour les systèmes de récupération de chaleur air-air que les VRC peuvent utiliser :
| Stratégies de prévention du gel | |
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Préchauffer le serpentin pour réchauffer l’air extérieur |
Le contrôle du gel du préchauffage est une stratégie préventive qui peut être utilisée avec n’importe quel dispositif de récupération de chaleur air-air. L’objectif est d’empêcher la formation de givre dans l’échangeur de chaleur, tout en maintenant une ventilation à 100 % ou continue. La récupération de chaleur est réduite, car la différence de température entre l’air extérieur préchauffé et l’air de retour a diminué. Les batteries de chauffage (électriques, à vapeur ou à eau chaude) sont montées en gaine ou intégrées à l’unité dans le flux d’air extérieur, de sorte que la température de l’air extérieur entrant est préconditionnée à une température supérieure au seuil de gel. Bien que le préchauffage entraîne généralement des coûts initiaux plus élevés, il peut permettre de réaliser des économies d’exploitation importantes dans les climats où la lutte contre le gel est nécessaire pendant une longue période. |
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Clapet de face et de dérivation |
Le contrôle du gel en face et en dérivation est une stratégie préventive qui peut être utilisée pour les plaques plates, les caloducs et les échangeurs à roue rotative. Lorsque l’air extérieur devient plus froid, les registres de façade et de dérivation en amont de l’échangeur de chaleur se modulent pour réduire la quantité d’air extérieur circulant dans l’échangeur de chaleur. Cela réduit la quantité de chaleur récupérée et maintient la température des gaz d’échappement au-dessus du seuil de gel. Avec cette stratégie, il n’y a pas d’interruption de la ventilation ni de dépressurisation du bâtiment, ce qui élimine le risque de refoulement des appareils de combustion dans l’espace occupé. La température de sortie de l’air soufflé étant plus basse, il est possible qu’il faille procéder à un post-conditionnement ou à un certain type de réchauffage terminal dans l’espace afin de garantir le confort des occupants dans des conditions extrêmes. |
| L’échangeur de chaleur peut être contrôlé afin d’éviter la formation de givre dans l’air de retour en réduisant l’efficacité et, par conséquent, en supprimant le seuil de gel. Par exemple, il est possible de réduire la vitesse de rotation des roues, de ralentir le fonctionnement des pompes, d’équiper les caloducs de vannes de régulation ou de les incliner. Étant donné que l’échangeur de chaleur récupère moins de chaleur, il est nécessaire de chauffer davantage le processus en aval. | |
| Stratégies de dégivrage | |
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Dégivrage de l’échappement : |
Le dégivrage par aspiration est l’une des stratégies les plus rentables et les plus simples à mettre en œuvre. Il dégivre périodiquement la glace qui se forme sur l’échangeur de chaleur en arrêtant le ventilateur d’alimentation pour supprimer la source d’air froid, tout en utilisant l’air chaud d’évacuation pour réchauffer l’échangeur. Lorsque l’appareil passe en cycle de dégivrage, le ventilateur d’extraction continue de fonctionner, le ventilateur de soufflage est mis hors tension et le registre d’air extérieur se ferme. Cette méthode est le plus souvent utilisée avec des échangeurs de chaleur à plaques ou à caloducs et est idéale pour les applications de contrôle à la source où une évacuation continue est nécessaire. L’inconvénient de cette méthode est que la ventilation est interrompue lorsque le ventilateur d’alimentation s’arrête pendant le cycle de dégivrage, ce qui peut ne pas être acceptable car l’équipement peut ne pas répondre aux exigences de QAI définies par la norme 62.1 de l’ASHRAE. Cela crée également une pression intérieure négative, ce qui entraîne des infiltrations. |
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Recirculation Dégivrage |
Le dégivrage par recirculation est également rentable et simple. Il est couramment utilisé dans les systèmes de récupération de chaleur air-air autonomes des petites entreprises qui ne sont pas utilisés comme système de ventilation primaire. La formation de glace sur l’échangeur de chaleur est périodiquement dégivrée en arrêtant le ventilateur d’extraction, en fermant les registres d’air extérieur et d’extraction et en ouvrant un registre d’air de recirculation pour éliminer la source d’air froid. Lorsque l’appareil passe en cycle de dégivrage, le ventilateur de soufflage reste en marche pour faire recirculer l’air vicié du bâtiment dans l’espace occupé. L’air évacué passe par l’échangeur de chaleur et assure le dégivrage en l’absence d’air froid extérieur. L’inconvénient de cette méthode est que la ventilation est interrompue lorsque le ventilateur d’extraction s’arrête pendant le cycle de dégivrage. Cela peut ne pas être acceptable dans toutes les applications et ne pas répondre aux exigences de QAI telles que définies dans la norme ASHRAE 62.1. Il peut cependant être acceptable dans des climats plus modérés où les conditions de gel ne se produisent que pendant les heures d’inoccupation, quelques heures par an. |
VRE et givre
Dans 99 % des cas, les VRE n’ont pas besoin d’être protégés contre le gel.
Les VRE sont beaucoup moins sensibles au gel que les VRC, et ce, pour plusieurs raisons. La première est que les noyaux des VRE transfèrent l’humidité à l’état gazeux et évitent le condensat liquide, ce qui élimine le besoin de bacs d’évacuation et de conduites de condensat. Par conséquent, les zones des VRC les plus susceptibles de givrer ne sont même pas présentes dans les VRE.
Dans le même ordre d’idées, comme les VRE récupèrent également l’humidité par le biais d’un noyau enthalpique, la formation de givre est freinée. Cela est dû à la capacité des VRE à transférer l’humidité entre les deux flux d’air. Par la suite, ce processus empêche le gel car tout liquide présent dans le noyau est sous forme d’eau liée, qui est plus difficile à geler. Si du givre se forme en cas d’humidité intérieure extrêmement élevée et de températures extérieures très basses, il dégèle rapidement.
Par exemple, le seuil de gel d’une VRE résidentielle typique sera inférieur de 18°F à celui d’une VRC similaire dans des conditions intérieures de 70°F et de 30 % d’humidité relative. En général, les noyaux des VRE ne développent pas de problèmes de givrage tant que les températures extérieures ne descendent pas en dessous de 10°F.
Dans des conditions climatiques extrêmes, les VRE sont considérés comme le meilleur choix par rapport aux VRC. En effet, lorsque les VRC se trouvent dans des situations où le gradient de température entre les courants d’air est important et qu’au moins l’un de ces courants d’air est même légèrement humidifié, il est certain que de la condensation se produira dans l’appareil. Il peut en résulter des moisissures et une dégradation de la qualité de l’air intérieur.
Ce n’est pas le cas des VRE. Voici plusieurs tableaux psychométriques démontrant la grande efficacité des VRE :
La réalité : Conditions intérieures en hiver
Quelles sont les conditions intérieures en hiver ? Est-ce toujours 70°F avec 40-60% d’humidité relative ? Bien que cela soit considéré comme « idéal », ce n’est normalement pas le cas en hiver. Cela est dû à la relation binaire entre la température extérieure et l’humidité relative intérieure. Plus il fait froid à l’extérieur, plus l’humidité relative à l’intérieur sera faible, naturellement.
En fait, dans les climats extrêmement froids, il est recommandé de maintenir les niveaux d’humidité relative à l’intérieur volontairement plus bas. En effet, si l’humidité est trop élevée, elle risque de s’accumuler dans les cavités des murs et des combles et de provoquer des dégâts structurels. De plus, des moisissures peuvent se former, ce qui peut rendre les gens malades. Vous trouverez ci-dessous une liste compilée par le Minnesota Department of Public Service sur les niveaux idéaux d’humidité relative intérieure en hiver. Cette liste est basée sur des fenêtres à double vitrage et une température intérieure de 70°F. Notez que plus la température extérieure est basse, plus l’humidité relative intérieure doit être basse :
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Température extérieure |
Humidité relative intérieure recommandée |
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20-40°F |
Pas plus de 40% |
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10-20°F |
Pas plus de 35% |
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0-10°F |
Pas plus de 30% |
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-10-0°F |
Pas plus de 25% |
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-20–10°F |
Pas plus de 20% |
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Inférieur à -20°F |
Pas plus de 15% |
Figure 4 : Niveaux idéaux d’humidité relative intérieure en hiver, avec des fenêtres à double vitrage et une température intérieure de 70°F.(Source : Minnesota Department of Public Service)
En outre, la relation binaire entre la température de l’air extérieur et l’humidité relative intérieure renforce la capacité des VRE à lutter contre le gel. En effet, lorsque la température extérieure chute, les niveaux d’humidité intérieure diminuent également de manière significative. C’est pourquoi, plus il fait froid – et plus l’humidité relative intérieure diminue – plus il est difficile pour le noyau du VRE de geler.
Les rares risques de gel d’un VRE
Alors, quand un VRE peut-il geler ? C’est très rare – en effet, pendant la vague de froid intense de 2020-2021 en Amérique du Nord, RenewAire n’a reçu aucun appel concernant le gel des carottes. De plus, un VRE RenewAire a été utilisé pour sécuriser un record de glace vieux de 40 000 ans provenant du pôle Sud. Dans ce cas, la VRE a fonctionné sans problème dans des conditions de -40°F.
Une étude a également été réalisée en Alaska pour déterminer si les VRE pouvaient fonctionner dans des climats froids sans défaillance due au gel. Elle a constaté qu' »il n’y a pas eu de cas observés de défaillance mécanique due à un gel excessif dans les systèmes, ce qui peut indiquer que toutes les unités ont des stratégies de dégivrage adéquates pour une utilisation dans des climats froids« .
RenewAire s’en tient à sa politique de contrôle du gel, qui stipule : « Le noyau d’échange d’énergie ERV de RenewAire fonctionne sans condensation ni givre dans des conditions de fonctionnement normales (définies comme des températures extérieures supérieures à -10°F et une humidité relative intérieure inférieure à 40 %). Occasionnellement, des conditions plus extrêmes n’affecteront pas le fonctionnement habituel, les performances ou la durabilité du noyau. Toutefois, pour garantir une bonne performance du produit, évitez de franchir la courbe de saturation d’un diagramme psychométrique ». Ceci est illustré dans la figure 5 : Il est intéressant de noter que s’il y a du gel, il n’y a pas de congélation de la carotte. Par conséquent, en cas de gel, nous recommandons d’utiliser l’une des stratégies de dégivrage ASHRAE énumérées ci-dessus. Il s’agit notamment d’utiliser l’air d’échappement ou de mettre en œuvre la recirculation pour faire fondre le givre.
Cependant, dans de très rares cas, le gel du cœur d’un VRE peut se produire. Par exemple, cela s’est produit pour l’un de nos VRE lors d’une tempête parfaite de conditions défavorables. Il s’agissait d’un grand gymnase à climat froid, avec de nombreuses cabines de douche, situé entre une piscine olympique et un grand hôpital. Inutile de dire que les sources d’humidité étaient nombreuses.
En outre, l’hôpital empêchait l’air des vestiaires de pénétrer dans le bâtiment, les ventilateurs d’extraction étaient défectueux, aucun mur n’avait été construit pour se protéger de l’humidité et la porte de l’établissement était fragile. Par conséquent, les niveaux d’humidité relative à l’intérieur étaient bien supérieurs à 50 %. Ajoutez à cela des températures hivernales rigoureuses et vous obtenez un cœur de VRE gelé. Un technicien a été appelé et le problème a été réglé rapidement.
Figure 5 : Essai de gel du noyau RenewAire à l’aide d’un diagramme psychrométrique. Il s’agit d’une représentation de B et C traversant une ligne. Si vous voulez maintenir C, abaissez les conditions intérieures de B à A ou représentez une condition intérieure réelle et non une condition de conception. (Source : RenewAire)
Certifications HVI et Energy Star
Avant de conclure, examinons brièvement les différents types de certifications de VRC et de VRE qui existent, en nous concentrant sur les applications résidentielles. Les deux principaux organismes sont ENERGY STAR et le Home Ventilating Institute (HVI). Ils testent tous deux tous les aspects du fonctionnement des systèmes, y compris le contrôle du gel.
En ce qui concerne les situations de climat froid, ils déclarent ce qui suit :
- Pour obtenir la certification ENERGY STAR, les caractéristiques suivantes sont examinées :
- Les produits doivent être testés et répondre aux exigences d’efficacité de récupération de la chaleur sensible (SRE) à 0°C (32°F) et -25°C (-13°F).
- Les produits doivent satisfaire aux exigences d’efficacité des ventilateurs lors d’un essai qui satisfait également aux exigences SRE à 0°C (32°F).
- Tous les débits d’air nets dans les essais utilisés pour répondre aux exigences de SRE et d’efficacité des ventilateurs doivent se situer dans une fourchette de 10 % l’un par rapport à l’autre.
- Pour être certifié par le Home Ventilating Institute, les caractéristiques suivantes sont examinées :
- Performance en période de chauffage : Il s’agit d’un essai obligatoire pour la certification HVI à 0 °C (+32 °F) et 75 % d’humidité relative pour l’air extérieur et à 22 °C (71,6 °F) et 40 % d’humidité relative pour l’air intérieur. Cet essai représente le rendement énergétique typique en régime permanent du VRC/VRE. Les performances sont plus comparables si l’on utilise les données de performance de la saison de chauffage en raison de l’absence de formation de givre.
- Essai à très basse température : Il s’agit d’un essai facultatif pour la certification HVI. L’essai à très basse température est généralement réalisé à -25°C (-13°F) et à 22°C (71,6°F) avec une humidité relative de 40 % pour l’air intérieur, bien que le fabricant puisse choisir de réaliser cet essai à n’importe quelle température extérieure inférieure au point de congélation. La durée de l’essai est de 72 heures. Le débit net d’air soufflé et toutes les autres valeurs de performance énergétique sont calculés en utilisant les moyennes des 60 dernières heures de l’essai.
En résumé
À l’ère du COVID-19, les bâtiments sains sont d’une importance capitale, ce qui fait d’une ventilation accrue et équilibrée un élément vital. Pour y parvenir, le meilleur choix est celui d’un VRC ou d’un VRE. Les deux sont efficaces pour améliorer la QAI tout en économisant de l’énergie, mais avec la récupération totale de l’énergie, les VRE sont supérieurs dans la lutte contre le gel.
De plus, les VRE permettent d’économiser davantage d’énergie grâce à la récupération totale de l’énergie. Ils permettent également de déshumidifier l’air extérieur entrant à l’intérieur pendant l’été. Enfin, les systèmes CVC peuvent être réduits car les charges sensibles et latentes sont diminuées. Il est donc clair que les VRE constituent un choix idéal pour tous les types de climat, y compris les plus froids d’Amérique du Nord.
Pour plus d’informations sur le rôle essentiel de la ventilation dans la création de bâtiments sains, contactez RenewAire dès aujourd’hui pour spécifier un ERV.
