Auteur : service technique de Mycond
Les déshumidificateurs d’air de type frigorifique, utilisés pour contrôler l’humidité dans les locaux, génèrent inévitablement une quantité significative d’énergie thermique. Cette chaleur est souvent considérée comme un sous-produit et simplement dissipée dans l’environnement. Cependant, une valorisation judicieuse de cette chaleur peut sensiblement augmenter l’efficacité énergétique globale du système et réduire les coûts d’exploitation. Dans cet article, nous examinons les aspects techniques de l’intégration des déshumidificateurs avec les systèmes de chauffage et les pompes à chaleur afin de maximiser l’utilisation de la chaleur rejetée.
Bilan thermique du déshumidificateur de type frigorifique – source de chaleur récupérable
Un déshumidificateur de type frigorifique fonctionne selon un principe similaire à celui d’un réfrigérateur. L’air est refroidi sur l’évaporateur à une température inférieure au point de rosée, ce qui provoque la condensation de l’humidité. L’air refroidi et asséché traverse ensuite le condenseur, où il est réchauffé. Ce processus obéit à un bilan énergétique précis.
La chaleur au condenseur est égale à la somme de trois composantes :
1. Chaleur latente de condensation de l’humidité – c’est l’énergie libérée lors de la condensation de la vapeur d’eau sur l’évaporateur. Elle se calcule comme le débit de déshumidification (en kilogrammes par heure) multiplié par la chaleur de vaporisation, qui dépend de la température de condensation (généralement 2300-2500 kJ/kg). Il est important de comprendre que la chaleur de vaporisation n’est pas une constante et se lit dans les tables de vapeur d’eau pour la température considérée.
2. Travail du compresseur – c’est la puissance électrique consommée par le compresseur. Cette valeur provient des données techniques du déshumidificateur ou du calcul du cycle frigorifique.
3. Chaleur sensible de l’air – c’est le réchauffement supplémentaire de l’air traversant le déshumidificateur. Sa valeur dépend de la conception et du mode de fonctionnement de l’appareil.
Sur le diagramme h-d, le processus psychrométrique de déshumidification se décrit ainsi : refroidissement de l’air jusqu’au point de rosée, condensation de l’humidité lors du refroidissement supplémentaire, puis réchauffement de l’air asséché au condenseur.
Par exemple, si un déshumidificateur extrait 20 kg/h d’humidité à une température de 28°C, la chaleur latente se calcule comme suit : 20 kg/h × 2435 kJ/kg = 48700 kJ/h = 13,5 kW. Si le compresseur consomme 6 kW d’électricité, la chaleur totale au condenseur est de 13,5 kW + 6 kW = 19,5 kW. L’élévation de température de l’air en sortie est déterminée par le bilan thermique et le débit d’air propres au système.
Fondements théoriques de la récupération de chaleur : potentiel du condenseur et niveaux de température
Pour une récupération efficace, il est important de comprendre la différence entre la température de condensation du fluide frigorigène et la température du caloporteur. La condensation du frigorigène se produit à une température qui dépend de la température du milieu de refroidissement (air ou eau au condenseur) plus le pincement thermique de l’échangeur.
Pour un condenseur à air dans un local à 25°C, la température de condensation peut être de 35-45°C. Pour un condenseur à eau avec une eau à 30°C, la température de condensation est de 40-50°C. Ces valeurs ne sont pas des constantes universelles, mais le résultat d’un calcul pour des conditions précises.
Le coefficient de performance (COP) d’un déshumidificateur est défini comme suit :
- Le COP thermique est égal à la chaleur au condenseur divisée par le travail du compresseur. C’est le rapport entre la puissance thermique délivrée et la consommation électrique.
- Le COP frigorifique est égal à la chaleur à l’évaporateur divisée par le travail du compresseur. C’est le rapport entre la puissance frigorifique et la consommation électrique.
Il convient de noter que pour les déshumidificateurs, les catalogues indiquent souvent le SMER (Specific Moisture Extraction Rate) en litres par kilowatt-heure ou en kilogrammes par kilowatt-heure, qui est un indicateur différent du COP.
Pour le calcul de la chaleur au condenseur, nous utilisons le bilan énergétique : chaleur latente plus travail du compresseur, ce dernier étant pris dans les données techniques du déshumidificateur.
Comparé à une pompe à chaleur air-eau, le déshumidificateur présente un avantage : il puise la chaleur dans l’air intérieur (20-25°C), tandis que la pompe à chaleur la prend dans l’air extérieur, dont la température en hiver peut être de -10°C à +10°C. Cela assure des conditions de fonctionnement de l’évaporateur plus stables pour le déshumidificateur.
Le potentiel de récupération dépend des différences de température, du type d’échangeur et du mode de fonctionnement. Avec un échangeur correctement dimensionné et des niveaux de température harmonisés, il est possible d’orienter la majeure partie de la chaleur du condenseur vers une charge utile. Toutefois, l’augmentation de la température de condensation due à la hausse de la température de l’eau de refroidissement diminue l’efficacité du cycle frigorifique.
Schémas d’intégration : trois approches de base
Il existe trois schémas principaux d’intégration des déshumidificateurs avec les systèmes de chauffage :
1. Échangeur de chaleur à eau séparé – utilisation d’un échangeur à plaques ou à calandre et tubes côté condenseur. Côté chaud : frigorigène ou air après le condenseur (selon la conception du déshumidificateur) ; côté froid : eau du système de chauffage ou d’ECS. Hydrauliquement, le système est raccordé au retour du chauffage ou au circuit d’ECS via une pompe de circulation, un vase d’expansion et des vannes d’équilibrage. Avantages : simplicité, possibilité d’adapter des installations existantes. Inconvénients : perte de charge supplémentaire, besoin d’une pompe de circulation dédiée.
2. Raccordement en cascade avec une pompe à chaleur – le déshumidificateur réchauffe l’eau de T1 à T2 (par ex. de 20°C à 40°C), puis la pompe à chaleur élève de T2 à T3 (par ex. de 40°C à 60°C) pour l’ECS. Un ballon tampon est installé entre les deux pour lisser les régimes. Avantages : réduction de la charge sur la PAC, augmentation du COP global du système car la PAC fonctionne avec une source déjà réchauffée. Inconvénients : automatisation plus complexe, nécessité d’harmoniser les modes de fonctionnement des deux appareils.
3. Consommateurs directs basse température – la chaleur du condenseur est envoyée directement vers un plancher chauffant (température de départ 30-40°C), le préchauffage d’air neuf de ventilation (20-30°C) ou le chauffage d’un bassin (26-30°C). Avantages : niveaux de température bien adaptés, valorisation maximale sans équipements supplémentaires. Inconvénients : nécessité de disposer de tels consommateurs basse température sur le site.
Le choix du schéma dépend de la présence de consommateurs, de leur niveau de température et de leur mode de fonctionnement au cours de l’année.
Comparaison des consommateurs de chaleur :
- Plancher chauffant : 30-40°C, bonne compatibilité avec le déshumidificateur, raccordement direct possible
- Eau chaude sanitaire : 55-60°C, compatibilité limitée, besoin d’une cascade ou d’un appoint
- Radiateurs : 50-70°C, compatibilité limitée, seulement en cascade avec une PAC
- Bassin : 26-30°C, excellente compatibilité, consommateur idéal toute l’année
Calcul de la chaleur récupérée : un exemple détaillé
Examinons un exemple concret pour un bassin :
Données d’entrée :
- Débit de déshumidification G = 20 kg/h (d’après le calcul des dégagements d’humidité du bassin)
- Température de l’air du local = 28°C
- Humidité relative du local = 60%
- Puissance électrique du déshumidificateur N = 6 kW (selon données techniques)
Première étape : Calcul de la chaleur latente de condensation de l’humidité
Chaleur de vaporisation à 28°C r ≈ 2435 kJ/kg (d’après les tables de vapeur d’eau)
Chaleur latente Q(latente) = G × r = 20 kg/h × 2435 kJ/kg = 48700 kJ/h = 13,5 kW
Deuxième étape : Bilan thermique du condenseur
Chaleur au condenseur Q(condenseur) = Q(latente) + N = 13,5 kW + 6 kW = 19,5 kW
C’est la puissance thermique totale dissipée au condenseur.
Troisième étape : Puissance valorisée via l’échangeur de chaleur à eau
Nous prenons un rendement d’échange de 80% (valeur réaliste pour un échangeur à plaques correctement dimensionné)
Chaleur valorisée Q(récupérée) = Q(condenseur) × 0,80 = 19,5 kW × 0,80 = 15,6 kW
Quatrième étape : Réchauffage de l’eau du bassin
Débit d’eau à travers l’échangeur m = 0,5 kg/s (dimensionné selon le pincement thermique et l’hydraulique du circuit)
Chaleur massique de l’eau c = 4,19 kJ/(kg·K)
Élévation de température ΔT = Q(récupérée) / (c × m) = 15,6 kW / (4,19 kJ/(kg·K) × 0,5 kg/s) = 7,4 K
Si l’eau entre à 26°C, elle sortira à 33,4°C, ce qui convient pour le chauffage du bassin.
Cinquième étape : Évaluation de l’effet sur le système de chauffage du bassin
Sans récupération, tout le chauffage du bassin serait assuré par une chaudière gaz ou un chauffage électrique.
Avec 15,6 kW de chaleur « gratuite » récupérée, on réduit la charge du générateur principal.
L’économie annuelle dépend des heures de fonctionnement du déshumidificateur sur l’année, des tarifs gaz/électricité et de la présence de sources alternatives de chaleur.
Utilisation saisonnière : hiver, intersaison, été
L’efficacité de l’intégration d’un déshumidificateur avec un système de chauffage dépend fortement de la saison :
Mode hivernal : Toute la chaleur du condenseur est dirigée vers le chauffage ou le bassin. Le déshumidificateur fonctionne sur consigne d’humidité et la chaleur est valorisée sans rejet dans le local. Si le consommateur est un chauffage basse température (plancher chauffant), le système peut fonctionner de manière autonome sans source additionnelle. Si une température plus élevée est requise (ECS 60°C), le déshumidificateur assure un chauffage de base jusqu’à 45-50°C et un appoint est fourni par une chaudière ou une PAC.
Période intermédiaire (printemps-automne) : Une partie de la chaleur est valorisée tant que le chauffage est nécessaire, et une partie peut être excédentaire lorsque le chauffage est coupé alors que la déshumidification reste requise. Dans cette période, un système de basculement est nécessaire – une vanne 3 voies automatique qui dirige la chaleur soit vers le chauffage, soit vers la dissipation (si le chauffage n’est plus nécessaire mais que le déshumidificateur fonctionne), soit vers un ballon tampon.
Mode estival : S’il existe un consommateur toute l’année (bassin, procédé), la chaleur lui est envoyée en continu. À défaut, un système de dissipation est requis – dry cooler (refroidisseur sec), tour de refroidissement ou simplement la mise à l’arrêt du circuit hydraulique. Dans ce dernier cas, le déshumidificateur rejette la chaleur dans le local, augmentant la charge sur la climatisation.
L’automatisation du système se fait via des capteurs de température sur le départ et le retour de chaque circuit, avec une logique de commande des vannes : SI la température de l’air extérieur est supérieure à 20°C OU la température du local est supérieure à 26°C OU il n’y a pas de demande de chauffage depuis le thermostat, ALORS la chaleur est dirigée vers le dry cooler ou dans le local, SINON la chaleur va vers le circuit de chauffage.
Impact de l’intégration sur l’efficacité de déshumidification : température de condensation et performance
La récupération de la chaleur du condenseur a un impact direct sur l’efficacité de la déshumidification. Le processus se décrit ainsi : l’augmentation de la température de l’eau de refroidissement au condenseur entraîne une hausse de la température de condensation du frigorigène, donc une augmentation de la pression de condensation, une baisse du débit massique de frigorigène à travers le compresseur, une diminution de la puissance frigorifique de l’évaporateur et, en conséquence, une baisse de la capacité de déshumidification.
L’ampleur de cet impact dépend du type de compresseur, du frigorigène et des conditions initiales. Pour des compresseurs scroll typiques au R410A, une augmentation de 10 K de la température de condensation peut conduire à une baisse du débit massique du compresseur d’un montant dépendant de sa conception (les valeurs exactes figurent dans les diagrammes du fabricant du compresseur).
Un compromis consiste à limiter la température maximale du caloporteur en sortie. Par exemple, si l’ECS requiert 55°C et que le déshumidificateur ne peut assurer que 45°C sans chute critique de performance, il est judicieux d’utiliser un schéma en cascade : le déshumidificateur porte l’eau de 20°C à 45°C, puis la PAC élève de 45°C à 60°C.
Les systèmes à compresseur inverter peuvent compenser partiellement la baisse de performance en augmentant la vitesse de rotation, mais cela accroît la consommation électrique ; il faut donc trouver un équilibre entre capacité et consommation.
Quand l’intégration a du sens d’un point de vue ingénierie : critères d’application
L’intégration d’un déshumidificateur avec un système de chauffage est pertinente si TOUTES les conditions suivantes sont réunies simultanément :
1. Dégagements d’humidité stables – le déshumidificateur ne fonctionne pas de manière épisodique, mais au moins 10-15 heures par jour durant six mois ou plus par an. Sites typiques : bassins, blanchisseries, zones de séchage, entrepôts de légumes, industries pharmaceutiques.
2. Présence d’un consommateur de chaleur basse température (jusqu’à 50°C) – plancher chauffant, chauffage de bassin, air neuf, radiateurs basse température, procédé industriel.
3. Solution pour la période estivale – consommateur toute l’année (bassin) ou système de dissipation (dry cooler, tour de refroidissement), ou un mode de fonctionnement coordonné (le déshumidificateur fonctionne la nuit, lorsque la chaleur ne gêne pas la climatisation diurne).
4. Rapport de puissances approprié – la puissance thermique du déshumidificateur représente au moins 20-30% de la charge thermique de base du site, sinon la complexité de l’intégration ne sera pas amortie par les CAPEX.
L’intégration n’a PAS de sens d’un point de vue technique dans les cas suivants :
- Le déshumidificateur fonctionne de manière épisodique (1-2 heures par jour, uniquement l’été)
- Absence de consommateurs basse température (seulement chauffage haute température >70°C ou ECS sans possibilité de cascade)
- Le coût de l’intégration dépasse l’économie sur l’énergie sur 8-10 ans aux tarifs actuels
Régimes limites dans lesquels les approches décrites ne fonctionnent pas ou exigent une adaptation :
- Température du local inférieure à 15°C (l’efficacité de déshumidification chute fortement)
- Température de condensation supérieure à 60°C (la plupart des compresseurs domestiques et commerciaux ne sont pas prévus pour de telles pressions)
- Régions avec une saison de chauffage très courte (3 mois)
Erreurs de conception courantes
Lors de la conception de systèmes avec récupération de chaleur sur déshumidificateurs, on rencontre souvent les erreurs suivantes :
1. Ignorer le rejet de chaleur du déshumidificateur lors du calcul de la charge de climatisation – conséquence : en été, la climatisation est insuffisante, la température du local dépasse la norme, inconfort. Exemple : bassin avec un déshumidificateur de 25 kW, mais le projet de refroidissement ne considère que les dégagements d’humidité des occupants et le solaire, sans intégrer le rejet de chaleur du déshumidificateur. Résultat : déficit de puissance frigorifique de 3-5 kW, surchauffe du local.
2. Absence de possibilité de dissipation de chaleur en été – conséquence : en été, le déshumidificateur ne peut pas fonctionner (arrêt de sécurité haute pression de condensation) ou surchauffe le local (charge supplémentaire sur la climatisation). Solution : prévoir un dry cooler ou un consommateur estival (bassin, procédé) dès la phase de conception.
3. Sélection incorrecte de la température du caloporteur sans analyse de l’impact sur la déshumidification – exemple d’erreur : le client veut de l’eau à 60°C pour l’ECS, le concepteur raccorde le déshumidificateur directement sans cascade. Résultat : la température de condensation grimpe à un niveau critique (55-60°C), la capacité de déshumidification chute, l’humidité du local n’est pas maintenue au niveau de projet. Solution : schéma en cascade (le déshumidificateur chauffe jusqu’à 45°C, la chaudière élève à 60°C) ou limitation de la température maximale du caloporteur.
4. Absence de ballon tampon dans un système à consommation de chaleur variable – conséquence : le déshumidificateur est piloté par l’humidité (marche/arrêt sur hygrostat), tandis que le consommateur de chauffage est piloté par la température (thermostat). Désynchronisation des modes : le déshumidificateur fonctionne alors que la chaleur n’est pas requise, ou l’inverse. Cela entraîne des démarrages-arrêts fréquents du compresseur et l’usure de l’équipement. Solution : ballon tampon (300-500 litres pour les systèmes commerciaux) pour lisser les écarts de courte durée.
5. Grandes distances entre le déshumidificateur et le consommateur sans calcul des pertes thermiques – exemple : déshumidificateur au sous-sol, consommateur en toiture, distance 50 m, canalisations insuffisamment isolées. Résultat : pertes de chaleur significatives dans les tuyauteries. Solution : placer le déshumidificateur plus près du consommateur ou isoler correctement les tuyaux (épaisseur 50-100 mm).
6. Attentes exagérées : le déshumidificateur comme substitut complet d’une PAC ou d’une chaudière – réalité : un déshumidificateur fournit autant de chaleur que d’humidité il extrait. Si les dégagements d’humidité sont faibles ou saisonniers, la chaleur le sera aussi. Solution : calcul réaliste du potentiel thermique en tenant compte du profil annuel de formation d’humidité.
7. Ignorer la nécessité d’entretenir le circuit hydraulique – si l’eau est dure et sans traitement, du tartre se forme sur la surface de l’échangeur, entraînant une baisse de l’efficacité de l’échange thermique. Solution : traitement de l’eau ou détartrage chimique périodique de l’échangeur.
Foire aux questions (FAQ)
Question 1 : Quelles sont les limites de température du caloporteur lors de la récupération de la chaleur du condenseur d’un déshumidificateur ?
Réponse : La température minimale est limitée par la nécessité d’un écart de température suffisant pour l’échange (généralement 5-7 K), soit pas en dessous de 15-20°C, ce qui n’est pas limitant pour les systèmes de chauffage. La température maximale dépend de la pression de condensation admissible du compresseur : pour la plupart des déshumidificateurs au R410A, la température de sortie du caloporteur ne doit pas dépasser 50-55°C. Les modèles industriels avec compresseurs haute pression peuvent atteindre 60-65°C. Dépasser ces valeurs conduit à un arrêt de sécurité haute pression ou à une défaillance du compresseur.
Question 2 : Un déshumidificateur peut-il remplacer complètement un système de chauffage ?
Réponse : Pour des sites avec des dégagements d’humidité stables (bassins, blanchisseries) et des consommateurs de chaleur basse température (plancher chauffant 30-40°C, bassin 28°C), le déshumidificateur peut servir de source principale en intersaison et partiellement en hiver, sous réserve d’une source de secours pour les grands froids. Pour des locaux résidentiels classiques sans dégagements d’humidité significatifs – non, car la quantité de chaleur disponible est limitée par la capacité de déshumidification. Si les dégagements sont faibles, l’air intérieur est sec en hiver, le déshumidificateur fonctionne peu ; la chaleur fait défaut précisément quand on en a le plus besoin.
Question 3 : Que faire de la chaleur en été si le chauffage n’est pas nécessaire ?
Réponse : Trois options : 1) diriger la chaleur vers un consommateur présent toute l’année (bassin, procédé) ; 2) utiliser un dry cooler ou une tour de refroidissement pour dissiper la chaleur dans l’atmosphère ; 3) couper le circuit hydraulique en été, la chaleur étant alors rejetée dans le local comme en mode standard de déshumidification (ce qui exigera une climatisation plus puissante).
Question 4 : Comment l’intégration influe-t-elle sur l’efficacité de la déshumidification ?
Réponse : L’augmentation de la température de l’eau de refroidissement au condenseur entraîne une hausse de la température de condensation du frigorigène, une élévation de la pression de condensation, une baisse du débit massique du compresseur et, en conséquence, une baisse de la capacité de déshumidification. L’ampleur de l’effet dépend du type de compresseur, du frigorigène et du mode de fonctionnement. Solution de compromis : limiter la température maximale du caloporteur (pas plus de 45-50°C) ou utiliser une cascade.
Question 5 : Comment évaluer l’effet économique de l’intégration ?
Réponse : Le calcul comprend plusieurs étapes : 1) déterminer la chaleur récupérée sur la saison de chauffage ; 2) déterminer l’énergie substituée par rapport à la source principale ; 3) calculer l’économie annuelle en tenant compte de la différence de coût unitaire de l’énergie ; 4) déterminer le temps de retour comme le rapport des coûts d’investissement de l’intégration à l’économie annuelle. Les chiffres concrets dépendent des heures annuelles de fonctionnement du déshumidificateur, des tarifs locaux de l’énergie et du coût des équipements et de l’installation.
Conclusions
L’intégration d’un déshumidificateur avec un système de chauffage ou une pompe à chaleur par la récupération de la chaleur du condenseur est une solution d’ingénierie efficace pour les sites avec des dégagements d’humidité stables et des consommateurs de chaleur basse température. Ce n’est toutefois pas une solution universelle, mais un outil adapté à des conditions spécifiques.
Conditions clés de réussite :
- Bilan thermique correct et calcul énergétique précis du condenseur
- Harmonisation des niveaux de température (température maximale du caloporteur compatible avec les capacités du compresseur)
- Solution pour la période estivale (dry cooler, consommateur annuel ou mode de fonctionnement coordonné)
- Attentes réalistes (comprendre que la quantité de chaleur est limitée par les dégagements d’humidité et non par les pertes thermiques du bâtiment)
Recommandations pour les ingénieurs-concepteurs :
- Analyser la possibilité de récupération de chaleur dès la phase de conception
- Effectuer un calcul détaillé avec des données d’entrée spécifiques
- Prévoir une possibilité d’évolution future (réservations pour tuyauteries, emplacement pour échangeur)
Critères de pertinence de l’intégration : dégagements d’humidité stables pendant six mois ou plus, présence d’un consommateur basse température (jusqu’à 50°C), solution pour la période estivale. Si au moins une condition n’est pas remplie, l’intégration nécessite une étude technico-économique complémentaire.
La récupération de chaleur d’un déshumidificateur est un outil d’ingénierie pour des conditions spécifiques, dont le succès dépend de la qualité de la conception, d’un bilan thermique détaillé et d’une évaluation réaliste de la rentabilité pour le site considéré.
