Calcul d'efficacité et de température d'échangeur thermique de VMC

Le calcul repose sur le bilan de chaleur sensible échangé entre l'air extrait (chaud) et l'air neuf (froid) au sein de l'échangeur. L'écart de température disponible ΔT = T_int − T_ext représente le maximum théoriquement récupérable ; l'efficacité η indique quelle fraction de cet écart est réellement transférée à l'air neuf.

Un même caisson double flux peut être annoncé à 87 % ou à 58 % sans que personne ne mente : tout dépend de la grandeur choisie. La note technique publiée par Enertech en 2011 — traduction d'un article d'Eberhard Paul, fondateur de Paul Wärmerückgewinnung — recense quatre définitions concurrentes, et donne pour un seul et même appareil les valeurs suivantes (T_ext = 4 °C, T_extrait = 21 °C) :

Pourquoi la valeur côté air neuf est flatteuse

L'efficacité côté air neuf mesure le réchauffement de l'air soufflé. Or cet air n'est pas réchauffé que par l'échangeur : quand le caisson est posé dans un local chauffé, la paroi lui transmet aussi de la chaleur prise à l'ambiance. Sur un essai TZWL cité par la même note (T_ext = −3 °C, T_extrait = 21 °C, caisson en ambiance à 20 °C), cet apport parasite vaut 143 W : l'air soufflé sort à 18,7 °C au lieu de 16,4 °C, et l'efficacité affichée passe de 80 % à 89 %. 9 points gagnés sans que l'échangeur y soit pour quoi que ce soit.

L'efficacité côté air extrait, qui mesure le refroidissement de l'air rejeté, ne souffre pas de ce biais. À défaut de l'imposer, plusieurs référentiels corrigent forfaitairement la valeur côté air neuf :

• PHPP (Passivhaus Institut), étiquette énergie suisse et Land de Basse-Autriche : η_eff = η_T − 12 points ;
• EnEV (ancienne réglementation thermique allemande) : η_eff = η_T × 0,91.

Concrètement : un caisson annoncé à 90 % retombe à 78 % en convention PHPP. Sur un hiver à −5 °C dehors et 20 °C à la reprise, cela représente 3,0 °C de soufflage en moins (14,5 °C au lieu de 17,5 °C) — c'est-à-dire 3,0 °C de plus à fournir par le chauffage. Si vous dimensionnez une batterie de post-chauffage, saisissez la valeur corrigée plutôt que la valeur catalogue.

Ce que fixent les conditions d'essai

Les essais des centrales double flux résidentielles relèvent de la NF EN 13141-7 (janvier 2011), la définition de l'efficacité de température venant de la NF EN 308. Le laboratoire TZWL, cité par la note Enertech, mesure sur trois points de fonctionnement :

Deux paramètres tirent mécaniquement l'efficacité vers le haut pendant l'essai : un débit faible (plus le débit baisse, meilleur est l'échange) et un air humide lorsque l'efficacité est calculée en enthalpie. Sur site, s'ajoutent des facteurs que l'essai ne voit pas : équilibrage des débits soufflage/extraction, implantation du caisson, étanchéité du réseau, encrassement des filtres et de l'échangeur. L'efficacité que vous mesurez avec l'onglet « Efficacité » est donc, presque toujours, inférieure à celle du catalogue.

Givre et condensats en hiver

Lorsque l'air extrait, chaud et humide, se refroidit dans l'échangeur, la vapeur d'eau condense : le caisson doit être raccordé à une évacuation de condensats. Par température extérieure fortement négative, ces condensats peuvent geler et obstruer l'échangeur ; les caissons intègrent alors une protection antigel (batterie de préchauffage sur l'air neuf ou réduction temporaire du débit soufflé), qui pénalise momentanément l'efficacité globale. Une mesure faite pendant une séquence de dégivrage ne caractérise pas l'échangeur : attendez le retour au régime nominal.

Bypass estival

En été, récupérer la chaleur de l'air extrait devient contre-productif dès que l'air extérieur est plus frais que l'air intérieur. Le bypass fait alors contourner l'échangeur par l'air neuf pour rafraîchir gratuitement le logement, notamment la nuit (free cooling). Le calcul de température de sortie ne s'applique donc qu'échangeur actif, bypass fermé. À l'inverse, en pleine chaleur diurne (air extérieur plus chaud que l'air repris), l'échangeur travaille à l'envers et pré-refroidit l'air neuf : le calculateur traite ce cas dès que vous saisissez une température extérieure supérieure à la température intérieure.

Encrassement et entretien

Des filtres saturés réduisent les débits et déséquilibrent l'installation, ce qui fait chuter l'efficacité réelle. Un remplacement des filtres tous les 6 à 12 mois et un contrôle périodique de l'échangeur et de l'équilibrage des débits maintiennent la performance proche de la valeur nominale. La mesure des trois températures (onglet « Efficacité ») est un moyen simple de détecter une dérive — à condition de la refaire dans des conditions comparables d'une fois sur l'autre.

Le moteur de cet outil est couvert par une suite de 21 tests automatisés construite sur des références extérieures au code, et non sur ses propres sorties.

• Valeurs numériques publiées par un tiers. Les trois cas chiffrés de la note Enertech 2011 sont rejoués tels quels : figure 2 (T_ext = 4 °C, T_extrait = 21 °C, T_soufflé = 18,8 °C → 87 %) est reproduite exactement ; l'essai TZWL avec et sans apport parasite du caisson tombe à 1 point près des 89 % et 80 % publiés — la note arrondissant vers le bas. L'écart entre les deux cas, lui, est reproduit exactement : 9 points, comme dans le document. C'est cette différence, indépendante de la convention d'arrondi, qui constitue la vérification.
• Définition normative réécrite à la main. La formule de la NF EN 308 est recodée hors du moteur dans le fichier de test, puis confrontée à la sortie sur une grille de 300 cas (T_ext de −20 à +15 °C, T_extrait de 18 à 26 °C, η de 5 à 100 %). L'écart reste dans l'arrondi au dixième de degré affiché.
• Équation résolue à rebours. Les deux onglets doivent être mutuellement inverses : une température de soufflage calculée à partir d'un η, réinjectée dans le mode « Efficacité », doit redonner ce η. C'est exact au point d'efficacité près dès que l'écart intérieur/extérieur atteint 15 K, et à 1 point près entre 10 et 15 K — ce qui est précisément la raison pour laquelle la page recommande de mesurer par temps froid.
• Vérité analytique et asymptotes. À η = 100 %, l'air soufflé atteint exactement la température de l'air extrait ; à η → 0, il reste à la température extérieure ; entre les deux, le gain vaut η × ΔT disponible et croît strictement avec l'efficacité. Le régime estival inversé (air extérieur plus chaud que l'air repris) est vérifié séparément : le gain doit devenir négatif.
• Les valeurs affichées sur cette page sont assertées contre le moteur. L'exemple pas à pas (16,3 °C), la colonne « Soufflage à −5 / 20 °C » du tableau des technologies, les 1,7 °C d'écart résiduel à 93 % et les 3,0 °C de la correction PHPP sont recalculés par les tests. Si l'un de ces chiffres était modifié à la main sans que le calcul suive, la suite échouerait.
• Entrées dégradées. Champs vides, valeurs non numériques ou écart intérieur/extérieur nul renvoient une absence de résultat, jamais un NaN ni un nombre fantaisiste. Cette campagne a mis au jour un défaut réel, corrigé depuis : une température de 0 °C restaurée depuis « Mes projets » sous forme de nombre était traitée comme une donnée manquante et bloquait le calcul.

La suite se relance avec node --test sur _lib/calcul.test.mjs, sans dépendance externe.

Références

• NF EN 308 — Échangeurs thermiques : procédures d'essai pour la détermination de la performance des dispositifs de récupération de chaleur air/air et air/gaz. Source de la définition de l'efficacité de température côté air neuf employée par cet outil.
• NF EN 13141-7 (janvier 2011) — Ventilation des bâtiments : essais de performances des composants/produits pour la ventilation des logements, partie 7 : essais de performance des centrales double flux (y compris la récupération de chaleur) pour les systèmes de ventilation mécaniques prévus pour des logements individuels. Cadre d'essai des efficacités déclarées par les fabricants. Fiche AFNOR.
• Enertech (mars 2011) — « Présentation des différentes méthodes de détermination de l'efficacité d'un échangeur double flux », traduction par B. Garbay d'une note d'Eberhard Paul (Paul Wärmerückgewinnung GmbH, 2009). Source des quatre définitions d'efficacité, de l'essai TZWL à 143 W, des conditions de mesure DIBt/TZWL et des corrections PHPP (−12 points) et EnEV (× 0,91). PDF.
• Règlement (UE) n° 1253/2014 — exigences d'écoconception applicables aux unités de ventilation. C'est lui qui impose la déclaration du rendement thermique du système de récupération de chaleur sur la fiche produit : c'est là que se trouve, pour un caisson donné, la valeur à saisir dans l'onglet « Température de sortie ». Office des publications de l'UE.