Chauffage, ventilation et systèmes de récupération de chaleur

Introduction au chapitre

Ce chapitre couvre les principes fondamentaux, les composants, les calculs et les exigences réglementaires relatifs aux systèmes de chauffage, de ventilation et de récupération de chaleur, tels qu'ils sont évalués dans l'examen Sceau rouge pour le métier de mécanicien en réfrigération et climatisation. Vous devez maîtriser ces concepts pour diagnostiquer, installer et entretenir des systèmes intégrés qui combinent le confort thermique, la qualité de l'air intérieur et l'efficacité énergétique.

Principes fondamentaux du chauffage

Charges thermiques et bilans énergétiques

Le calcul des charges thermiques est la base de tout dimensionnement de système. La charge de chauffage représente la quantité de chaleur qu'il faut fournir à un espace pour maintenir une température intérieure de conception lorsque la température extérieure est à son minimum de conception. La charge de refroidissement représente la chaleur qu'il faut extraire pour maintenir la même température intérieure lorsque la température extérieure est à son maximum.

La formule de base pour la transmission de chaleur à travers une paroi est :

Q = U × A × ΔT

Où :

Q = flux de chaleur en watts (W)

U = coefficient de transmission thermique global en W/(m²·°C)

A = surface de la paroi en mètres carrés (m²)

ΔT = différence de température entre l'intérieur et l'extérieur en degrés Celsius (°C)

La résistance thermique totale (R) est l'inverse du coefficient U : R = 1/U. Les valeurs R des matériaux s'additionnent en série. Par exemple, une paroi composée de brique (R = 0,35), d'isolant (R = 2,5) et de gypse (R = 0,08) a une résistance totale de 2,93 m²·°C/W, donc U = 1/2,93 = 0,341 W/(m²·°C).

Chaleur sensible et chaleur latente

La chaleur sensible provoque un changement de température sans changement de phase. La formule est :

Q = m × c × ΔT

Où m est la masse en kg, c est la chaleur spécifique en kJ/(kg·°C), et ΔT est le changement de température en °C. Pour l'air, c ≈ 1,006 kJ/(kg·°C). Pour l'eau, c = 4,186 kJ/(kg·°C).

La chaleur latente provoque un changement de phase sans changement de température. Pour l'eau, la chaleur latente de vaporisation est d'environ 2 257 kJ/kg à pression atmosphérique, et la chaleur latente de fusion est de 334 kJ/kg.

Degrés-jours de chauffage

Les degrés-jours de chauffage (DJC) sont une mesure utilisée pour estimer la consommation énergétique saisonnière. Un degré-jour est accumulé pour chaque jour où la température moyenne est inférieure à 18 °C, la différence étant le nombre de degrés-jours. Par exemple, une journée avec une température moyenne de 5 °C accumule 13 DJC. La formule simplifiée pour l'estimation de la consommation annuelle est :

Consommation annuelle (kWh) = (DJC × U × A × 24) / 1000

Systèmes de ventilation

Exigences de ventilation selon le Code national du bâtiment

Le Code national du bâtiment du Canada (CNB) spécifie les taux de ventilation minimaux pour les différents types d'occupation. Pour les bâtiments résidentiels, le taux de ventilation mécanique minimal est de 0,35 renouvellement d'air par heure (RAH) ou 7,5 L/s par personne, selon la valeur la plus élevée. Pour les bâtiments commerciaux, les taux varient selon l'usage : 10 L/s par personne pour les bureaux, 15 L/s pour les salles de classe, et 20 L/s pour les restaurants.

Le tableau suivant résume les exigences typiques :

Type d'occupation	Taux de ventilation minimal (L/s par personne)	Taux de renouvellement d'air minimal (RAH)
Résidentiel	7,5	0,35
Bureaux	10	—
Salles de classe	15	—
Restaurants	20	—
Hôpitaux (chambres)	25	6
Laboratoires	20	8

Ventilation mécanique et naturelle

La ventilation mécanique utilise des ventilateurs pour déplacer l'air. Les systèmes peuvent être à simple flux (extraction seule ou insufflation seule) ou à double flux (extraction et insufflation combinées). La ventilation naturelle repose sur les différences de pression et de température, mais elle est rarement suffisante pour les bâtiments modernes étanches.

La ventilation équilibrée est essentielle pour éviter les dépressions ou surpressions dans le bâtiment. Une dépression excessive peut provoquer le refoulement des produits de combustion des appareils à gaz, créant un risque d'intoxication au monoxyde de carbone. Une surpression excessive peut provoquer l'infiltration d'humidité dans l'enveloppe du bâtiment.

Équilibrage des systèmes de ventilation

L'équilibrage consiste à ajuster les débits d'air dans chaque branche du réseau pour respecter les débits de conception. La procédure standard comprend :

33.Mesurer le débit total du ventilateur à l'aide d'un manomètre et d'un tube de Pitot ou d'une cage à mesurer.

34.Ajuster la vitesse du ventilateur si nécessaire pour obtenir le débit total requis.

35.Mesurer les débits à chaque diffuseur ou grille.

36.Ajuster les registres de réglage (dampers) pour équilibrer les branches.

37.Vérifier que les débits totaux correspondent à la somme des débits des branches.

La relation entre la pression statique (Ps) et le débit (Q) dans un réseau est : Ps ∝ Q². Si vous doublez le débit, la pression statique quadruple. Cette relation est cruciale pour comprendre l'effet des changements de vitesse du ventilateur.

Systèmes de récupération de chaleur

Principes de la récupération de chaleur

La récupération de chaleur dans les systèmes de ventilation consiste à transférer la chaleur de l'air extrait (vicié) vers l'air neuf (frais) entrant. Cela réduit la charge de chauffage ou de refroidissement du bâtiment. L'efficacité d'un récupérateur est exprimée par son efficacité sensible :

η = (T₂ - T₁) / (T₃ - T₁) × 100 %

Où :

T₁ = température de l'air neuf entrant dans le récupérateur

T₂ = température de l'air neuf sortant du récupérateur

T₃ = température de l'air extrait entrant dans le récupérateur

Types de récupérateurs de chaleur

Récupérateur à plaques (échangeur à plaques)

Le récupérateur à plaques est le plus simple. Les flux d'air neuf et d'air extrait circulent dans des canaux adjacents séparés par des plaques métalliques ou plastiques. La chaleur est transférée à travers les plaques par conduction. L'efficacité typique est de 50 à 70 %. Il n'y a pas de transfert d'humidité, seulement de chaleur sensible. Les avantages : aucune pièce mobile, faible entretien. Les inconvénients : risque de givrage à basse température, nécessite un by-pass pour la saison estivale.

Récupérateur rotatif (roue thermique)

La roue thermique est un cylindre rotatif composé d'une matrice métallique ou de fibres. La roue tourne lentement (10 à 20 tours par minute) entre les deux flux d'air. La matrice absorbe la chaleur de l'air extrait et la libère dans l'air neuf. L'efficacité peut atteindre 75 à 85 %. Certaines roues sont hygroscopiques et transfèrent également l'humidité (chaleur latente). Les avantages : haute efficacité, transfert d'humidité possible. Les inconvénients : pièces mobiles, risque de contamination croisée (généralement inférieur à 5 %), entretien du moteur et des courroies.

Récupérateur à caloducs (heat pipe)

Le caloduc est un tube scellé contenant un fluide frigorigène. La chaleur de l'air extrait évapore le fluide à l'extrémité chaude du tube. La vapeur se déplace vers l'extrémité froide où elle se condense, libérant la chaleur à l'air neuf. Le condensat retourne par gravité ou par capillarité. L'efficacité est de 50 à 70 %. Les avantages : aucune pièce mobile, pas de contamination croisée. Les inconvénients : efficacité limitée, nécessite une inclinaison pour le retour du condensat.

Récupérateur à boucle d'eau glycolée

Ce système utilise deux serpentins (l'un dans le flux d'air extrait, l'autre dans le flux d'air neuf) reliés par une boucle de liquide (eau glycolée). Une pompe fait circuler le liquide. L'efficacité est de 40 à 60 %. Les avantages : les serpentins peuvent être éloignés l'un de l'autre, pas de contamination croisée. Les inconvénients : efficacité plus faible, nécessite une pompe et un vase d'expansion.

Type de récupérateur	Efficacité sensible typique	Transfert d'humidité	Pièces mobiles	Contamination croisée
À plaques	50-70 %	Non	Non	Négligeable
Rotatif	75-85 %	Possible (si hygroscopique)	Oui	1-5 %
Caloduc	50-70 %	Non	Non	Nulle
Boucle d'eau glycolée	40-60 %	Non	Oui (pompe)	Nulle

Givrage des récupérateurs

Le givrage se produit lorsque la température de l'air extrait descend sous le point de congélation de l'eau. La vapeur d'eau de l'air extrait gèle sur les surfaces de l'échangeur, obstruant le passage de l'air et réduisant l'efficacité. Les stratégies de dégivrage comprennent :

By-pass : l'air neuf contourne le récupérateur pendant le dégivrage.

Préchauffage : un réchauffeur électrique ou hydronique préchauffe l'air neuf avant le récupérateur.

Arrêt périodique : le ventilateur d'air neuf s'arrête périodiquement pour permettre au givre de fondre.

Dégivrage par recirculation : l'air extrait est recirculé à travers le récupérateur pour le dégivrer.

Le seuil de givrage dépend de l'humidité relative de l'air extrait. Pour une humidité relative de 30 % à 21 °C, le givrage commence à environ -5 °C extérieur. Pour 50 % d'humidité relative, le givrage commence à environ 0 °C.

Pompes à chaleur et systèmes hybrides

Pompes à chaleur air-air

Les pompes à chaleur air-air (thermopompes) sont des systèmes de chauffage et de refroidissement qui transfèrent la chaleur entre l'air intérieur et l'air extérieur. Le coefficient de performance (COP) est le rapport entre la chaleur fournie et l'énergie électrique consommée. Un COP de 3 signifie que pour 1 kW d'électricité consommé, 3 kW de chaleur sont fournis.

Le COP diminue lorsque la température extérieure baisse. À -25 °C, le COP d'une thermopompe conventionnelle peut chuter à 1,5 ou moins. Les thermopompes à froid extrême (cold climate heat pumps) maintiennent un COP supérieur à 2 jusqu'à -25 °C.

Systèmes bivalents

Un système bivalent combine une thermopompe avec un système de chauffage d'appoint (électrique, gaz, ou hydronique). Le point de basculement (balance point) est la température extérieure à laquelle la thermopompe ne peut plus fournir toute la charge de chauffage. En dessous de ce point, le chauffage d'appoint prend le relais.

Le calcul du point de basculement nécessite de connaître la charge de chauffage du bâtiment à la température de conception et la capacité de la thermopompe à différentes températures. Par exemple, si la charge de chauffage est de 10 kW à -30 °C et que la thermopompe fournit 8 kW à -10 °C, le point de basculement est à -10 °C.

Exigences du Code canadien de l'électricité

Le Code canadien de l'électricité, Chapitre V (C22.1) s'applique à toutes les installations électriques, y compris les systèmes de chauffage et de ventilation. Les règles pertinentes comprennent :

Règle 8-200 : Calcul de la demande pour les appareils de chauffage. La demande minimale pour les appareils de chauffage fixe est de 100 % de la charge totale.

Règle 26-700 : Exigences pour les appareils de chauffage électrique. Les radiateurs électriques doivent être installés avec un dégagement minimal de 75 mm des surfaces combustibles.

Règle 26-744 : Dispositifs de commande pour les appareils de chauffage. Chaque appareil doit avoir un moyen de déconnexion accessible.

Règle 62-100 : Exigences générales pour les installations de ventilation. Les ventilateurs doivent être déconnectés de la source d'alimentation lors de l'entretien.

Pour les systèmes de récupération de chaleur, le code exige que les moteurs des ventilateurs soient protégés contre les surcharges conformément à la règle 28-308.

Exigences du Code CSA B149.1

Le CSA B149.1, Code sur le gaz naturel et le propane s'applique aux appareils de chauffage au gaz. Les règles pertinentes comprennent :

Article 8.2.1 : L'évacuation des produits de combustion doit être conforme aux spécifications du fabricant et au code.

Article 8.10.1 : L'apport d'air de combustion doit être adéquat. Pour les appareils installés dans un espace clos, l'ouverture de ventilation doit avoir une surface libre minimale de 1 cm² par 4,2 kW de puissance d'entrée.

Article 8.22.1 : Les appareils à gaz doivent être installés avec un dégagement minimal de 150 mm des matériaux combustibles, sauf indication contraire du fabricant.

L'interaction entre la ventilation mécanique et les appareils à gaz est critique. Une ventilation d'extraction excessive peut créer une dépression qui empêche l'évacuation des produits de combustion. Le code exige que les systèmes de ventilation soient conçus pour maintenir une pression légèrement positive ou neutre dans les espaces contenant des appareils à gaz.

Procédures d'installation et de mise en service

Installation des récupérateurs de chaleur

L'installation d'un récupérateur de chaleur air-air (VRC) doit respecter les étapes suivantes :

87.Emplacement : Installer l'appareil dans un endroit accessible pour l'entretien, avec un dégagement minimal de 600 mm sur le devant pour le remplacement des filtres.

88.Raccordement des conduits : Les conduits d'air neuf et d'air extrait doivent être isolés pour éviter la condensation. Les conduits extérieurs doivent avoir une pente de 3 % vers l'extérieur pour l'évacuation des condensats.

89.Drain de condensat : Installer un drain avec un siphon (piège) d'au moins 75 mm pour empêcher l'aspiration d'air par le drain.

90.By-pass : Installer un by-pass motorisé pour la saison estivale si le récupérateur n'en est pas équipé.

91.Filtres : Installer des filtres sur les deux flux d'air, avec une efficacité minimale MERV 6 (ou équivalent).

Mise en service et vérification

La mise en service comprend :

94.Vérifier les débits d'air neuf et d'air extrait à l'aide d'un anémomètre ou d'un manomètre.

95.Mesurer l'efficacité du récupérateur en conditions réelles.

96.Vérifier l'étanchéité des conduits (test de fumée).

97.Vérifier le fonctionnement des commandes et des sécurités.

98.Documenter les mesures et les réglages.

Le test d'étanchéité des conduits est effectué en pressurisant le réseau à 250 Pa et en mesurant la fuite. La fuite maximale admissible est de 5 % du débit total pour les conduits scellés, selon les normes de l'ASHRAE.

Diagnostics et dépannage

Problèmes courants des récupérateurs de chaleur

Symptôme	Cause probable	Correctif
Givrage excessif	Température extérieure très basse, humidité intérieure élevée	Activer le dégivrage, réduire l'humidité
Débit d'air insuffisant	Filtres obstrués, conduits obstrués, ventilateur défectueux	Remplacer les filtres, nettoyer les conduits, vérifier le ventilateur
Efficacité réduite	Échangeur encrassé, by-pass ouvert	Nettoyer l'échangeur, vérifier la position du by-pass
Bruit anormal	Roulement de ventilateur usé, déséquilibre de la roue	Remplacer le roulement, équilibrer la roue
Condensation excessive	Drain obstrué, siphon insuffisant	Nettoyer le drain, vérifier le siphon

Mesure de l'efficacité en conditions réelles

Pour mesurer l'efficacité réelle d'un récupérateur, vous devez mesurer les températures aux quatre points (air neuf entrant, air neuf sortant, air extrait entrant, air extrait sortant) et appliquer la formule d'efficacité sensible. Les mesures doivent être prises en régime permanent, c'est-à-dire après au moins 15 minutes de fonctionnement stable.

Calculs pratiques pour l'examen

Exemple 1 : Calcul de la charge de chauffage

Un entrepôt de 20 m × 15 m × 4 m a des murs en béton de 200 mm (U = 1,7 W/(m²·°C)) et un toit isolé (U = 0,4 W/(m²·°C)). La température intérieure de conception est de 18 °C et la température extérieure de conception est de -30 °C. Calculez la charge de chauffage par transmission.

Solution :

Surface des murs : 2 × (20 × 4) + 2 × (15 × 4) = 160 + 120 = 280 m²

Surface du toit : 20 × 15 = 300 m²

Q_murs = U × A × ΔT = 1,7 × 280 × (18 - (-30)) = 1,7 × 280 × 48 = 22 848 W

Q_toit = 0,4 × 300 × 48 = 5 760 W

Q_total = 22 848 + 5 760 = 28 608 W ≈ 28,6 kW

Exemple 2 : Efficacité d'un récupérateur

Un récupérateur à plaques a les températures suivantes : air neuf entrant = -10 °C, air neuf sortant = 12 °C, air extrait entrant = 22 °C. Calculez l'efficacité sensible.

Solution :

η = (T₂ - T₁) / (T₃ - T₁) × 100 %

η = (12 - (-10)) / (22 - (-10)) × 100 %

η = 22 / 32 × 100 % = 68,75 %

Exemple 3 : Débit d'air requis pour la ventilation

Un bâtiment résidentiel a une superficie de 200 m² et une hauteur sous plafond de 2,5 m. Calculez le débit de ventilation minimal requis.

Solution :

Volume = 200 × 2,5 = 500 m³

Taux de renouvellement : 0,35 RAH

Débit = 500 × 0,35 / 3600 = 0,0486 m³/s = 48,6 L/s

Le taux par personne (7,5 L/s) s'applique si le nombre d'occupants est connu. Pour 4 occupants : 4 × 7,5 = 30 L/s. La valeur la plus élevée (48,6 L/s) s'applique.

Pièges à éviter

128.Confondre chaleur sensible et chaleur latente : La chaleur sensible change la température, la chaleur latente change la phase. Dans les calculs de charge, les deux doivent être considérées séparément.

129.Oublier le facteur 24 dans les calculs de degrés-jours : La formule de consommation annuelle utilise 24 heures par jour. Un oubli de ce facteur donne un résultat 24 fois trop petit.

130.Inverser le numérateur dans la formule d'efficacité : L'efficacité est toujours (température de l'air neuf sortant - température de l'air neuf entrant) divisé par (température de l'air extrait entrant - température de l'air neuf entrant). Ne pas utiliser les températures de l'air extrait sortant.

131.Négliger la relation Ps ∝ Q² : Si vous réduisez la vitesse d'un ventilateur de 20 %, le débit diminue de 20 %, mais la pression statique diminue de 36 % (0,8² = 0,64). Cela peut rendre le système incapable de vaincre la perte de charge des conduits.

132.Ignorer les exigences de dégagement du Code canadien de l'électricité : Les appareils de chauffage électrique doivent avoir un dégagement minimal de 75 mm des surfaces combustibles. Cette distance est souvent testée à l'examen.

133.Confondre les exigences de ventilation résidentielle et commerciale : Le taux de 0,35 RAH s'applique au résidentiel, mais les bâtiments commerciaux utilisent des taux par personne qui varient selon l'occupation.

134.Oublier le siphon sur le drain de condensat : Sans siphon, l'air est aspiré par le drain, ce qui réduit l'efficacité et peut causer des odeurs.

135.Ne pas considérer l'interaction ventilation-appareils à gaz : Une ventilation d'extraction excessive peut provoquer le refoulement des produits de combustion. Les exigences du CSA B149.1 doivent être respectées.

136.Utiliser la température de conception au lieu de la température moyenne pour les degrés-jours : Les degrés-jours utilisent la température moyenne journalière, pas la température de conception.

137.Confondre COP et efficacité : Le COP est un rapport sans unité (chaleur fournie / énergie consommée), tandis que l'efficacité est un pourcentage. Un COP de 3 ne signifie pas 300 % d'efficacité au sens thermodynamique, mais 300 % de rendement par rapport à l'énergie électrique consommée.

Résumé

La charge de chauffage se calcule avec Q = U × A × ΔT, en considérant toutes les surfaces de l'enveloppe.

La ventilation doit respecter les exigences du CNB : 0,35 RAH ou 7,5 L/s par personne pour le résidentiel, avec des taux plus élevés pour les bâtiments commerciaux.

Les récupérateurs de chaleur transfèrent la chaleur de l'air extrait vers l'air neuf. Les types principaux sont à plaques, rotatifs, à caloducs et à boucle d'eau glycolée.

L'efficacité sensible se calcule avec la formule η = (T₂ - T₁) / (T₃ - T₁) × 100 %.

Le givrage des récupérateurs est un problème majeur en climat froid ; des stratégies de dégivrage sont nécessaires.

Le Code canadien de l'électricité, Chapitre V impose des règles spécifiques pour les appareils de chauffage (règle 8-200, 26-700) et les ventilateurs (règle 62-100).

Le CSA B149.1 régit l'installation des appareils à gaz et l'apport d'air de combustion.

La mise en service comprend la vérification des débits, de l'efficacité et de l'étanchéité des conduits.

Les calculs pratiques pour l'examen incluent les charges thermiques, l'efficacité des récupérateurs et les débits de ventilation.

La maîtrise de ces concepts vous permettra de réussir les questions du Sceau rouge portant sur les systèmes de chauffage, de ventilation et de récupération de chaleur. Portez une attention particulière aux unités, aux facteurs de conversion et aux exigences réglementaires, car ces éléments sont fréquemment testés.

Chauffage, ventilation et systèmes de récupération de chaleur