Brevet FR2519750A1 — publié le 19830718

La présente invention concerne un échangeur thermique entre l'air neuf injecté dans un bâtiment et l'air vicié qui en est extrait. La présente invention est à la fois un procédé de récupération d'énergie thermique sur l'air chaud extrait d'un bâtiment et un dispositif technolegique permettant d'intégrer de façon originale un échangeur d'air à haute performance à l'intérieur d'un bâtiment d'habitation, de bureaux, à usage scolaire ou à tout autre usage, pourvu que ce bâtiment bénéficie d'un renouvellement d'air, par ventilation mécanique contrôlée. Le procédé Le procédé s'appuie sur la théorie de l'échangeur thermique à contre courants parallèles. Soit qi le débit d'air injecté (m3/h) qe le débit d'air extrait (m3/h) Soit mi = 0,34 qi Soit S : la surface totale d'échanges k : le coefficient d'échanges de la paroi. Le rendement d'un tel échangeur s'écrit : (température de sortie - température d'entrée) air injecté # = température d'entrée - température d'entrée de l'air extrait de l'air injecté si me &num; mi si me = mi = m Ces valeurs supposent que l'échangeur est parfaitement isolé de ltenvironnement extérieur. Appliqué au cas d'un échangeur entre air neuf et air vicié d'un bâtiment : - me 5i1 mi lorsqu'il y a des entrées d'air parasite par les fenê- tres ou portes et/ou lorsqu'on mélange à l'air vicié, pour en augmenter la température d'entrée, les fumées d'un appareil producteur de chaleur. - me s mi lorsqu'on extrait strictement la quantité injectée. C'est le cas par exemple d'un bâtiment chauffé élec triquement et dont les menuiseries extérieures sont très étanches à l'air. On observe que les rendements sont indépendants des températures d'entrée de l'air neuf et de l'air extrait. Mais à l'évidence la température de sortie de l'air neuf sera d'autant plus grande que la température d'entrée de l'air vicié sera grande. Les besoins de chaleur complémentaire seront donc d'autant plus petits. On observe aussi que le rendement de l'échangeur est d'autant meilleur que le coefficient d'échange k de la paroi échangeuse est grand et que la surface d'échange est grande. Si mi Or on sait que l'encrassement des surfaces d'échanges, que des vitesses (( à 0,30 m/s) très basses de circulation de l'air le long des surfaces d'échanges et. qu'une épaisseur trop grande de la lame d'air entre les surfaces d'échange, sont des facteurs qui engendrent des diminutions très importantes de la valeur de k. Une des originalités du procédé et du dispositif technologique présenté, est de prendre en compte ces conditions de façon spécifiquement adaptée au bâtiment, dans le but d'obtenir un rendement pratiquement voisin de 0,8. De façon à mieux préciser ce point très important de l'invention, on peut examiner à titre d'exemple, et sans que celà soit limitatif, le cas d'un bâtiment collectif d'habitation. Une cage d'escalier distribue en général 4 logements par étage, dont le volume habitable global est Vha. Soit y = Volume d' air renouvellé par heure Volume habitable Supposons pour simplifier l'exposé qe = qi = yVha Dlod : m = me = mi = 0,34 yVha Le rendement s'écrit Pour une valeur donnée de X (objectif à atteindre), on trouve Si l'immeuble a n niveaux, le volume habitable total vaut n x Vha. La relation précédente s'écrit alors On constate donc que si l'on affecte une surface S d'échange thermique proportionnelle à Vha de chaque niveau, on ne modifie pas la valeur du rendement définie en objectif. Une autre originalité du procédé et du dispositif présenté est d'appliquer ce théorème en disposant l'échangeur verticalement dans la hauteur du bâtiment. Son rendement restera alors constant quel que soit le nombre d'étages du bâtiment (pour un taux y de renouvellement donné). Les deux originalités essentielles décrites ci-avant du procédé engendrent le dispositif technologique suivant - L'échangeur est conçu par éléments d'une hauteur d'étage pouvant s'intégrer par exemple en fond de cage d'escalier ou dant tout autre endroit permettant de disposer ces élémttEs verticalement les uns au-dessus des autres à la façon d'une gaine. - L'échangeur est conçu pour que ltépaisseur des lames d'air entre deux surfaces d'échange soit aussi petite que pos sible ( 4 4 cm) et pour que les vitesses de l'air injecté comme celle de l'air extrait soient supérieures à 0,30 m/E - Les dimensions de ltéchangeur sont calculées de la façon suivante Données : rondement souhaité volume d'air neuf injecté par heure : qi volume d'air vicié éjecté par heure : qe D'où mi = 0,34 qi me = 0,34 qe Valeurs à déterminer : kS, Ae, Ai k ne dépend pratiquement (compte tenu des contraintes adoptées) que du matériau constitutif de la surface d'échange S surface d'échange Ae section de passage de l'air vicié extrait Ai section de passage de l'air neuf injecté avec la condition : si mi > me alors 5 doit être choisi Si mi Si mi = me avec la conditipn 5 ( 1 Dans les deux cas (vitesses ) 0.30 m/s) et distance entre deux plaques d'échanges d 4 4 cm On constate-que les inégalités peuvent toujours être satisfaites. Dispositif technologique Les originalités du procédé décrites ci-avant sont concrétisées par les dispositifs technologiques décrits ci-après. Seules les originalités du dispositif sont décrites. Les détails constructifs non décrits appartiennent à la technologie usuelle et connue. La planche 1 montre que l'échangeur peut être disposé, par exemple, verticalement en fond de la cage d'escalier d'un bâtiment d'habitation, et sur toute sa hauteur. Cette position est indicative. D'autres choix sont possibles selon la configuration du bâtiment. La planche 2 montre un élément courant échangeur de hauteur h correspondant par exemple à une hauteur d'étage h. ussi La planche 2 montre e coupé courante d'un élément échan- geur courant de hauteur h. L'enveloppe externe de l'échangeur est constituée d'une partie fixe 1 scellée dans la construction et d'un panneau démontable 2 accessible. Cette enveloppe peut être réalisée en cornières et tôles de métal ou en matières plastiques (PVC par exemple). Pour satisfaire l'une des hypothèses du procédé (non échange avec l'environnement), la résistance thermique de cette enveloppe doit être supérieure à 2 m20/W (7 cm de mousse de polyuréthane par exemple). Les surfaces échangeuses sont constituées par les éléments d'échanges 3, 4, 5... autant que nécessaire (cf. calculs exposés précédemment). Chaque élément d'échange est consituté d'une tale pliée en forme d'accordéon au pas de d cm. Cette tale mince est en acier, aluminium, PVC, ou autre matière présentant une bonne qualité d'échange thermique. Le nombre de pas d de chaque élément échangeur est choisi pour que l'élément soit facilement manipulable. La planche 3 montre les détails des joints. I1 est en effet indispensable que l'air vicié ne se mélange pas à l'air neuf. I1 y a deux types de joints. Le détail 6 montre le joint vertical entre les extrémités de chaque élément échangeur 3, 4, 5... et l'enveloppe externe. Ce joint est constitué par exemple d'une bande extrudée en néoprène ou similaire collée sur le fond de l'enveloppe. Cette bande assure à la fois la fixation des éléments échangeur et l'étanchéité verticale par clipsage. Le détail 7 montre le joint horizontal entre deux éléments échangeurs superposés. Le nervurage 9 de la tale des éléments échangeurs 3, 4, 5... assure le raidissage de cette tale dans la hauteur courante. I1 assure aussi, par positionnement convenable de la première nervure basse, et de la dernière nervure haute, le clipsage d'une bande de joint 8 préformée au même pas et à la m8me largeur que les éléments échangeurs. L'étanchéité est complétée par enduisage intérieur des bandes par une pâte non collante. La planche 4 montre les détails de sortie de l'air neuf et de l'air vicié en haut du dernier niveau de ltéchangeur. Des plaques d'obturation (10) ferment en partie supérieure le volume offert & l'air vicié. Celui-ci se dégage par la fenêtre avant 12 percée dans le panneau avant de l'enveloppe externe. L'air neuf est récupéré au-dessus des derniers éléments échangeurs et sort par la fenêtre (11). Sur ces fenêtres sont boulonnées les gaines qui vont récupérer les deux veines d'air. En partie basse du 1er niveau de l'échangeur le dispositif est le même mais inversé. D'autres solutions de récupération des veines d'air à l'entrée et à la sortie de l'échangeur peuvent être adoptées sans pour autant altérer l'originalité de 1'invention - sortie avant air neuf, arrière air vicié - sorties latérales ou par le dessus. Exploitation du procédé et du dispositif technolozique Cet exposé a pour but de bien préciser les originalités du procédé et du dispositif. On supposera par exemple un bâtiment d'habitation R + 4 (5 niveaux) dont le volume habitable est de 750 m3 par niveau. Le taux de renouvellement d'air y est de 0,55. Du fait des entrées d'air parasites on admettra qi = 750 x 0,55 = 412 m3/h par niveau qe = 1,05 qi = 433 m3/h mi = 0,34 x 412 = 140 W/O me = 0,34 x 433 = 147 W/O On veut réaliser un échangeur de rendement = 0,80 pouvant se loger en fond d'une cage d'escalier de 2,60 m de largeur. On calcule On admettra, compte tenu des nettoyages périodiques et de la configuration de l'échangeur : k = 5 W/m20 D'où : S = 513 = 103 m. 5 Compte tenu de l'épaisseur de ltenveloppe et des dégagement qu'il convient de réserver aux extrémités latérales de l1échan- geur pour assurer une mise en place aisée des éléments échangeur la longueur utile de l'échangeur est de L = 2,60 - 0,15 - 0,15 = 2,30 m La condition de vitesse # 0,30 m/s donne : L x # 2 x 412 = 0,824 m 1 000 D'où : # # 0,824 = 0,36 m soit # = 0,35 m 2,30 Si l'on suppose la hauteur d'étage h = 2,70 m Chaque plaque d'échange a une surface s = Q x h = 0,35 x 2,70 = 0,95 m2 Il faut donc un nombre de plaques p = 103 = 108 P o,g5 Le pas d vaut donc d = L = 2,30 = 0,021 m p 108 Soit d = 2 cm On vérifie bien d 4 4 cm Si cette condition n'était pas vérifiée, il faudrait modifier l'une des données. (En général L) Pour des raisons de maniabilité des éléments échangeurs, les 108 plaques d'échange sont réalisées par 5 "accordéons de 17 pas chacun (il en faut un nombre impair) et un de 23 pas. Toujours pour des raisons de maniabilité des éléments séchai geurs, chaque élément peut être recoupé en deux dans la hauteur d'un étage (éventuellement). Le nettoyage des éléments échangeurs se réalise alors de la façon suivante . démontage du panneau avant (2) . déclipsage des bandes-joints horizontales . déclipsage des éléments échangeurs des bandes de joints verticaux . nettoyage des éléments par sablage (l'effet d'accordéon est utilisable pour ouvrir chaque-pas) remontage par opération inverse. REVENDICATIONS 1. Echangeur de chaleur gaz/gaz à courant parallèles destiné en particulier au réchauffage de l'air frais entrant dans un bâtiment par l'air vicié qui en est extrait, caractérisé en ce qu'il comprend une série de parois parallèles disposées dans une enceinte thermiquement isolante, lesdites parois parallèles délimitant avec les parois de l'enceinte des espaces à l'intérieur desquels circulent les deux gaz. 2. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les parois parallèles sont obtenues par pliage en accordéon d'une feuille selon un pas régulier. 3. Echangeur de chaleur selon la revendication 2, caractérisé en ce que chaque zone de pliage est en demicercle. 4. Echangeur de chaleur selon la revendication 2 ou la revendication 3, caractérisé en ce que la largeur des parois est supérieure à cinq fois la valeur du pas. 5. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que le pas est inférieur à 4 cm. 6. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'une des parois de l'enceinte qui est orthogonale auxdites parois parallèles est démontable. 7. Echangeur de chaleur selon l'unë quelconque des revendications 2 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend une série de feuilles pliées en accordéon, réunies par des joints longitudinaux le long d'une paroi de l'enceinte orthogonale aux-parois parallèles. 8. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend une série de feuilles pliées en accordéon réunies par des joints transversaux constitués par des bandes pliées en accordéon au même pas que les feuilles et clipsées sur les feuilles entre des nervures présentées par chaque feuille au voisinage de ses extrémités. 9. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les espaces délimités par deux parois parallèles successives sont alternativement fermés et ouverts à leurs extrémités de façon à permettre l'entrée ou la sortie de l'un des gaz au-delà des parois parallèles, tandis que des fenêtres latérales aux voisinages de ces extrémités assurent l'entrée ou la sortie de l'autre gaz. 10. Procédé pour réaliser un échange de chaleur entre deux gaz, caractérisé en ce que l'on utilise un échangeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, et l'on fait circuler les gaz alternativement en sens opposés dans les différents espaces définis entre les parois parallèles.