Documentation — Température de soufflage d'une batterie

Température de soufflage d'une batterie à eau PRO

Documentation par l'exemple — méthode et résultats

Outil
Température de soufflage d'une batterie — Bâti'Tools (compte PRO)
Ce que fait l'outil
Pour une batterie à eau chaude ou à eau glacée de CTA et son ventilateur : la plage de soufflage atteignable, puis la puissance, le débit d'eau et la taille d'échangeur qu'exige une température visée — ou la température que donne une batterie connue

Sommaire : le principe · les saisies · D1 · D2 · D3 · D4 · messages

Le principe : le régime d'eau ne fixe pas le soufflage

Le régime (80 / 60 °C, 7 / 12 °C…), le débit d'air et la température d'entrée ne suffisent pas à donner une température de soufflage. Le bilan d'énergie de la batterie

P = ṁ_air · (h_entrée − h_sortie) = débit d'eau · 1,161 · ΔT_eau

garde deux inconnues : la température de sortie et le débit d'eau. Le régime fixe l'écart côté eau, pas le débit. C'est la taille de la batterie — son coefficient d'échange UA — qui tranche. L'outil rend donc :

Batterie chaude

Réchauffage sensible, humidité absolue constante. L'échange est jugé en contre-courant (une batterie à plusieurs rangs alimentée à contre-courant s'en approche) :

UA = P / DTLM, avec DTLM la moyenne logarithmique de (T_eau aller − T_sortie air) et (T_eau retour − T_entrée air)

Batterie froide

Quand l'air condense, l'outil utilise la méthode du point de rosée apparent (ADP) et du facteur de by-pass (BF) : l'air sortant est sur la droite qui joint, dans le diagramme de l'air humide, l'air entrant et le point saturé à l'ADP.

ADP = température moyenne de l'eau + écart (1 K par défaut)
BF = (T_sortie − ADP) / (T_entrée − ADP) ; W_sortie = W_ADP + BF · (W_entrée − W_ADP)
UA équivalent = cp_air · P / Δh_ml (écart moyen logarithmique d'enthalpie)

L'écart de l'ADP est la seule hypothèse de l'outil. Il se saisit : une sélection constructeur peut le préciser. Si l'ADP est au-dessus du point de rosée de l'air entrant, il n'y a pas de condensation et le refroidissement est traité comme un échange sensible.

Ventilateur

ΔT ventilateur = qv · Δp / η / (ṁ_air · cp_air)

Moteur dans la veine d'air (roue libre de CTA) : η = rendement de la roue × rendement moteur et transmission, toute la puissance électrique finit dans l'air. Moteur hors veine : η = rendement de la roue. Saisi par le SFP, l'échauffement vaut SFP · qv, puissance supposée transmise en totalité à l'air. Ventilateur avant la batterie : son échauffement entre dans la batterie. Ventilateur après : il s'ajoute au soufflage.

Les saisies

Batterie et position du ventilateur
Batterie à eau chaude / à eau glacée ; Ventilateur → batterie (soufflant) / Batterie → ventilateur (aspirant)
Air en amont
Débit de soufflage (m³/h), température et humidité relative de l'air qui arrive sur l'ensemble batterie + ventilateur — par exemple la sortie de l'échangeur de la CTA
Régime d'eau
Eau — aller et retour (°C) ; tout régime cohérent est accepté (retour plus froid que l'aller en chaud, plus chaud en froid)
Écart du point de rosée apparent
Batterie froide seulement, de −2 à +5 K, 1 K par défaut
Échauffement du ventilateur
Ne pas compter ; Pression et rendements (pression totale, rendement de la roue, rendement moteur et transmission, moteur dans la veine d'air) ; SFP
Ce que vous cherchez
Une température visée ; Batterie connue : puissance ; Batterie connue : débit d'eau

Les résultats s'exportent en CSV, courbe comprise.

D1 — Batterie chaude 80 / 60 °C, température visée

5 000 m³/h, air en amont à 15 °C et 50 %, ventilateur avant la batterie (800 Pa, roue 65 %, moteur 88 % dans la veine), soufflage visé à 35 °C.

Résultat

Ventilateur
1,94 kW transmis à l'air (rendement retenu 57,2 %), soit +1,13 K : l'air entre dans la batterie à 16,1 °C
Soufflage atteignable
entre 16,1 et 80,0 °C, bornes exclues
Puissance totale
32,34 kW
Débit d'eau
1,393 m³/h (ΔT eau 20,0 K)
Écart moyen logarithmique (DTLM)
44,43 K
UA requis
728 W/K
Efficacité
29,5 %
Pincement
43,9 K
Puissance maximale théorique
109,5 kW

Extrait de la courbe (l'outil en trace une quarantaine de points)

30,0 °C
23,7 kW · 1,02 m³/h · UA 506 W/K
42,2 °C
44,8 kW · 1,93 m³/h · UA 1 098 W/K
54,5 °C
65,8 kW · 2,83 m³/h · UA 1 942 W/K
66,8 °C
86,8 kW · 3,74 m³/h · UA 3 392 W/K
79,0 °C
107,8 kW · 4,64 m³/h · UA 9 505 W/K

Lecture : passer de 35 à 55 °C demande à peu près 2,7 fois plus d'UA ; à 79 °C, un degré sous l'eau aller, il en faut treize fois plus qu'à 35 °C. Le soufflage « possible » se lit donc à la taille de batterie qu'on accepte.

D2 — Batterie froide 7 / 12 °C, ventilateur après la batterie, température visée

5 000 m³/h, air en amont à 26 °C et 50 %, même ventilateur qu'en D1 mais placé après la batterie, soufflage visé à 14 °C.

Résultat

Sortie batterie
12,8 °C, 90 % — le ventilateur ajoute +1,18 K
Soufflage
14,0 °C, 83 %
Soufflage atteignable
entre 11,7 et 27,2 °C, bornes exclues
Puissance totale
30,77 kW, dont sensible / latente 21,69 / 9,07 kW
Condensats
12,8 L/h
Point de rosée apparent
10,5 °C (eau moyenne + 1,0 K)
Facteur de by-pass
0,150
Débit d'eau
5,300 m³/h (ΔT eau 5,0 K)
Écart moyen logarithmique d'enthalpie
14,65 kJ/kg
UA équivalent requis
2 154 W/K
Efficacité
63,1 %
Pincement
5,8 K
⚠ Ventilateur après la batterie : son échauffement (+1,2 K) se retrouve au soufflage.

Pour souffler à 14 °C, la batterie doit sortir l'air à 12,8 °C : le ventilateur aspirant coûte ici un peu plus de 1 K de froid, payé en puissance et en taille de batterie.

D3 — Batterie froide 7 / 12 °C connue par sa puissance

Mêmes air et ventilateur qu'en D2, mais ventilateur avant la batterie ; une fiche constructeur annonce 30 kW.

Résultat

Entrée batterie
27,2 °C, 47 % (ventilateur +1,18 K)
Soufflage
14,1 °C, 85 %
Sensible / latente
21,60 / 8,40 kW
Condensats
11,9 L/h
Facteur de by-pass
0,214
Débit d'eau
5,167 m³/h
UA équivalent requis
1 904 W/K
Puissance maximale théorique
38,1 kW

D4 — Régime 7 / 15 °C, batterie connue par son débit d'eau

Comme D3, mais régime 7 / 15 °C et un débit d'eau de 3 m³/h. Le régime saisi fixe alors la puissance.

Résultat

Puissance totale
27,87 kW (sensible 21,61 kW, latente 6,26 kW)
Soufflage
14,1 °C, 90 %
Point de rosée apparent
12,0 °C (eau moyenne + 1,0 K)
Soufflage atteignable
entre 12,0 et 27,2 °C, bornes exclues
Condensats
8,8 L/h
Facteur de by-pass
0,136
UA équivalent requis
2 182 W/K

Avec une eau plus chaude en moyenne, le point de rosée apparent monte de 10,5 à 12,0 °C : la borne basse du soufflage remonte d'autant, l'air sort plus humide et la batterie condense moins.

Messages

Puissance trop élevée (D2 avec 60 kW)
« La puissance demandée (60,0 kW) dépasse ce que l'air peut céder avec ce régime : au plus 36,2 kW, pour une batterie infiniment grande. Le soufflage possible est entre 11,7 et 27,2 °C (bornes exclues). »
Température visée hors plage
Refusée, jamais ramenée dans la plage : le message rappelle la limite physique et donne la plage atteignable
Régime incohérent
« Batterie à eau chaude : l'eau se refroidit en traversant la batterie, la température de retour doit être inférieure à celle de l'aller (ex. 80 / 60 °C). » — et son pendant pour l'eau glacée
Eau de retour du mauvais côté de l'air
Aucune température n'est atteignable : en chaud, l'eau de retour doit rester plus chaude que l'air entrant ; en froid, plus froide
Pincement inférieur à 2 K
Avertissement : la température est atteignable en théorie, mais par une batterie très profonde
Facteur de by-pass inférieur à 0,05
Avertissement : batterie très profonde, une valeur de 0,05 à 0,20 est plus courante
Air soufflé au-delà de 95 %
Avertissement : condensations sur les gaines non isolées, entraînement de gouttelettes
Pas de condensation
Avertissement quand l'ADP est au-dessus du point de rosée de l'air entrant : refroidissement purement sensible

Méthodes : air humide (ASHRAE Fundamentals), point de rosée apparent et facteur de by-pass, échangeur à contre-courant.