Ventilazione di mandata e di scarico con recupero di calore: principio di funzionamento, una panoramica dei vantaggi e degli svantaggi

L'assunzione di aria fresca nel periodo di tempo freddo porta alla necessità di riscaldamento per garantire il corretto clima interno. Per ridurre al minimo il costo dell'elettricità può essere utilizzata la ventilazione di alimentazione e di scarico con recupero di calore.

La comprensione dei principi del suo funzionamento consentirà la riduzione più efficiente della perdita di calore mantenendo un volume sufficiente di aria sostituita. Proviamo a capirlo.

Risparmio energetico nei sistemi di ventilazione

Nel periodo autunno-primavera, quando la ventilazione è un grosso problema, è la grande differenza di temperatura tra l'aria in entrata e quella interna. Il flusso freddo si abbassa e crea un microclima sfavorevole nelle case, negli uffici e nei luoghi di lavoro o un gradiente di temperatura verticale inaccettabile nel magazzino.

Una soluzione comune al problema è l'integrazione nella ventilazione di alimentazione aerotermocon il quale viene riscaldato il flusso. Un tale sistema richiede un consumo di energia, mentre una quantità significativa di aria calda in uscita porta a una significativa perdita di calore.

L'uscita verso l'esterno con vapore intenso funge da indicatore di una significativa perdita di calore, che può essere utilizzata per riscaldare il flusso in entrata

Se i canali di alimentazione e scarico dell'aria si trovano nelle vicinanze, è possibile trasferire parzialmente il calore del flusso in uscita a quello in entrata. Ciò ridurrà il consumo di energia del riscaldatore o lo abbandonerà completamente. Un dispositivo per fornire lo scambio di calore tra flussi di gas a temperatura diversa è chiamato recuperatore.

Nella stagione calda, quando la temperatura esterna è molto più elevata della temperatura ambiente, è possibile utilizzare un recuperatore per raffreddare il flusso in entrata.

Unità unitaria con recuperatore

La struttura interna del sistema di ventilazione con recuperatore integrato abbastanza semplice, quindi è possibile l'acquisto e l'installazione indipendenti dal punto di vista degli elementi. Nel caso in cui l'assemblaggio o l'autoassemblaggio siano difficili, è possibile acquistare su ordinazione soluzioni già pronte sotto forma di tipici monoblocchi o singole strutture prefabbricate.

Un design tipico di un dispositivo di sistema di ventilazione di mandata e di scarico con un recuperatore situato in un singolo alloggiamento può essere integrato da altri nodi a discrezione dell'utente

Gli elementi principali e i loro parametri

La custodia con isolamento termico e acustico è generalmente in lamiera d'acciaio. Nel caso di montaggio a parete, deve resistere alla pressione che si verifica durante la formazione di schiuma nelle fessure intorno all'unità e prevenire anche le vibrazioni delle ventole.

Nel caso di un'aspirazione e di un flusso d'aria distribuiti su vari locali, sono collegati all'alloggiamento sistema di canali. È dotato di valvole e ammortizzatori per la distribuzione del flusso.

In assenza di condotti dell'aria, una griglia o un diffusore è installato sull'uscita dell'aria di mandata dal lato della stanza per distribuire il flusso d'aria. Una griglia di aspirazione dell'aria esterna è montata sull'apertura di ingresso dalla strada per impedire a uccelli, grandi insetti e rifiuti di entrare nel sistema di ventilazione.

Il movimento dell'aria è fornito da due ventilatori assiali o centrifughi. In presenza di un recuperatore, la circolazione naturale dell'aria in un volume sufficiente è impossibile a causa della resistenza aerodinamica creata da questa unità.

La presenza di un recuperatore comporta l'installazione di filtri fini all'ingresso di entrambi i flussi. Ciò è necessario per ridurre l'intasamento di polvere e depositi di grasso nei canali sottili dello scambiatore di calore. In caso contrario, per il pieno funzionamento del sistema dovrà aumentare la frequenza della manutenzione preventiva.

I filtri fini devono essere sostituiti o puliti periodicamente. Altrimenti, una maggiore resistenza al flusso d'aria provocherà la rottura delle ventole.

Uno o più recuperatori occupano la maggior parte del dispositivo di alimentazione e scarico. Sono montati al centro della struttura.

In caso di forti gelate tipiche del territorio e insufficiente efficienza dello scambiatore di calore per il riscaldamento dell'aria esterna, è possibile installare un riscaldatore ad aria. Inoltre, se necessario, vengono montati un umidificatore, uno ionizzatore e altri dispositivi per creare un microclima favorevole nella stanza.

I modelli moderni includono un'unità di controllo elettronica. Modifiche sofisticate hanno funzioni per programmare le modalità operative in base ai parametri fisici dell'aria. I pannelli esterni hanno un aspetto attraente, grazie al quale possono essere ben integrati in qualsiasi interno della stanza.

Risolvere il problema della condensa

Il raffreddamento dell'aria proveniente dalla stanza crea i prerequisiti per lo scarico dell'umidità e la formazione di condensa. Nel caso di una portata elevata, la maggior parte non ha il tempo di accumularsi nel recuperatore e va fuori. Con il movimento lento dell'aria, una parte significativa dell'acqua rimane all'interno del dispositivo. Pertanto, è necessario garantire la raccolta di umidità e la sua rimozione all'esterno dell'alloggiamento sistema di alimentazione e scarico.

Un dispositivo elementare per la raccolta e la rimozione della condensa è una pentola situata sotto il recuperatore con una pendenza verso il foro di scarico

La conclusione dell'umidità viene prodotta in un contenitore chiuso. È posizionato solo all'interno per evitare il congelamento dei canali di deflusso a temperature inferiori allo zero.Non esiste un algoritmo affidabile per calcolare il volume di acqua ottenuto quando si utilizzano sistemi con un recuperatore, quindi è determinato sperimentalmente.

Il riutilizzo della condensa per umidificare l'aria è indesiderabile, poiché l'acqua assorbe molti inquinanti, come sudore umano, odori, ecc.

Ridurre significativamente la quantità di condensa ed evitare i problemi associati al suo aspetto organizzando un sistema di scarico separato dal bagno e dalla cucina. È in queste stanze che l'aria ha la più alta umidità. Se sono presenti diversi sistemi di scarico, lo scambio d'aria tra le aree tecniche e residenziali deve essere limitato installando valvole di ritegno.

Nel caso di raffreddamento del flusso d'aria in uscita a temperature negative all'interno del recuperatore, la condensa passa al ghiaccio, il che provoca una riduzione della sezione del flusso vivente e, di conseguenza, una diminuzione del volume o la completa cessazione della ventilazione.

Per lo sbrinamento periodico o una tantum del recuperatore, viene installato un bypass: un canale di bypass per il movimento dell'aria di mandata. Quando il flusso passa bypassando il dispositivo, il trasferimento di calore si arresta, lo scambiatore di calore si riscalda e il ghiaccio diventa liquido. L'acqua fluisce nel serbatoio di raccolta della condensa o evapora verso l'esterno.

Il principio del dispositivo di bypass è semplice, quindi, se esiste il rischio di formazione di ghiaccio, è consigliabile fornire una tale soluzione, poiché il recupero del calore dello scambiatore di calore in altri modi è complicato e lungo

Quando il flusso passa attraverso il bypass, non c'è riscaldamento dell'aria di mandata attraverso il recuperatore. Pertanto, quando questa modalità è attivata, è necessario accendere automaticamente il riscaldatore ad aria.

Caratteristiche di vari tipi di recuperatori

Esistono diverse opzioni strutturalmente diverse per l'implementazione del trasferimento di calore tra i flussi di aria fredda e calda. Ognuno di essi ha le sue caratteristiche distintive che determinano lo scopo principale di ciascun tipo di recuperatore.

Scambiatore di calore a flusso incrociato a piastre

Il design dello scambiatore di calore a piastre si basa su pannelli a parete sottile collegati alternativamente in modo da alternare il passaggio tra loro di diversi flussi di temperatura con un angolo di 90 gradi. Una delle modifiche di questo modello è un dispositivo con canali alettati per il passaggio dell'aria. Ha un coefficiente di trasferimento del calore più elevato.

Il passaggio alternato del flusso di aria calda e fredda attraverso le piastre viene realizzato piegando i bordi delle piastre e sigillando i composti con una resina poliestere

I pannelli di trasferimento di calore possono essere realizzati in vari materiali:

• le leghe a base di rame, ottone e alluminio hanno una buona conduttività termica e non sono sensibili alla ruggine;
• una plastica realizzata con un materiale polimero idrofobo con un alto coefficiente di conducibilità termica è leggera;
• la cellulosa assorbente consente alla condensa di penetrare attraverso la piastra e tornare nella stanza.

Lo svantaggio è la possibilità di condensa a basse temperature. A causa della piccola distanza tra le piastre, l'umidità o il ghiaccio aumentano significativamente la resistenza aerodinamica. In caso di congelamento, è necessario chiudere il flusso d'aria in ingresso per riscaldare le piastre.

I vantaggi dei recuperatori di piastre sono i seguenti:

• a basso costo;
• lunga durata;
• un lungo periodo tra la manutenzione preventiva e la sua semplicità;
• piccole dimensioni e peso.

Questo tipo di recuperatore è più comune per locali residenziali e uffici. Viene anche utilizzato in alcuni processi tecnologici, ad esempio per ottimizzare la combustione del combustibile durante il funzionamento dei forni.

Tipo di tamburo o rotante

Il principio di funzionamento di uno scambiatore di calore rotativo si basa sulla rotazione dello scambiatore di calore, al cui interno sono presenti strati di metallo ondulato con elevata capacità termica.Come risultato dell'interazione con l'effluente, il settore del tamburo viene riscaldato, che successivamente emette calore nell'aria in ingresso.

Lo scambiatore di calore a maglia fine dello scambiatore di calore rotativo è soggetto a intasamento, quindi è necessario considerare attentamente le prestazioni di alta qualità dei filtri fini

I vantaggi dei recuperatori rotanti sono i seguenti:

• efficienza piuttosto elevata rispetto ai tipi concorrenti;
• il ritorno di una grande quantità di umidità, che sotto forma di condensa rimane sul tamburo ed evapora al contatto con l'aria secca in arrivo.

Questo tipo di recuperatore è meno comunemente usato per edifici residenziali con ventilazione di appartamenti o cottage. Spesso viene utilizzato in grandi caldaie per restituire calore ai forni o per grandi strutture industriali o al dettaglio.

Tuttavia, questo tipo di dispositivo presenta svantaggi significativi:

• una struttura relativamente complessa con parti mobili, tra cui un motore elettrico, un tamburo e una trasmissione a cinghia, che richiede una manutenzione costante;
• aumento del livello di rumore.

A volte per dispositivi di questo tipo è possibile trovare il termine "scambiatore di calore rigenerativo", che è più corretto di un "recuperatore". Il fatto è che una piccola parte dell'aria di scarico fluisce all'indietro a causa della flessione del tamburo sul corpo della struttura.

Ciò impone ulteriori restrizioni sulla possibilità di utilizzare dispositivi di questo tipo. Ad esempio, l'aria contaminata delle stufe non può essere utilizzata come vettore di calore.

Sistema di tubi e involucri

Il recuperatore di tipo tubolare è costituito da tubi a parete sottile di piccolo diametro situati nella carcassa isolata del sistema, attraverso i quali scorre l'aria esterna. Sull'involucro produce un'uscita di massa di aria calda dalla stanza, che riscalda il flusso in entrata.

L'uscita di aria calda deve essere effettuata precisamente attraverso l'involucro e non attraverso un sistema di tubi, poiché è impossibile rimuovere la condensa da essi

I principali vantaggi dei recuperatori tubolari sono i seguenti:

• alta efficienza, grazie al principio di controcorrente del movimento del liquido di raffreddamento e dell'aria in entrata;
• la semplicità di progettazione e l'assenza di parti in movimento offrono un basso livello di rumore e raramente si presentano necessità di manutenzione;
• lunga durata;
• sezione minima tra tutti i tipi di dispositivi di recupero.

I tubi per dispositivi di questo tipo utilizzano metallo in lega leggera o, meno comunemente, polimero. Questi materiali non sono igroscopici, quindi, con una differenza significativa nella temperatura dei flussi, è possibile la formazione di condensa intensa nell'involucro, che richiede una soluzione costruttiva per la sua rimozione. Un altro svantaggio è che il materiale da otturazione del metallo ha un peso considerevole, nonostante le sue piccole dimensioni.

La semplicità del design del recuperatore tubolare rende questo tipo di dispositivo popolare per l'autoproduzione. Come involucro esterno, vengono solitamente utilizzati tubi in plastica per condotti dell'aria, isolati con gusci in poliuretano.

Dispositivo di trasferimento termico intermedio

A volte i condotti di alimentazione e di scarico si trovano a una certa distanza l'uno dall'altro. Questa situazione può sorgere a causa delle caratteristiche tecnologiche dell'edificio o dei requisiti sanitari per una separazione affidabile dei flussi d'aria.

In questo caso, utilizzare un refrigerante intermedio che circola tra i condotti attraverso un tubo isolato. Come mezzo per il trasferimento di energia termica usando acqua o una soluzione di acqua-glicole, la cui circolazione è fornita da pompa di calore.

Il recuperatore con un refrigerante intermedio è un dispositivo volumetrico e costoso, il cui uso è giustificato economicamente per ambienti con ampie aree

Nel caso in cui sia possibile utilizzare un diverso tipo di recuperatore, è meglio non utilizzare un sistema con un refrigerante intermedio, poiché presenta i seguenti svantaggi significativi:

• bassa efficienza rispetto ad altri tipi di dispositivi, pertanto, per piccoli ambienti con un flusso d'aria ridotto, tali dispositivi non vengono utilizzati;
• volume e peso significativi dell'intero sistema;
• la necessità di una pompa elettrica aggiuntiva per far circolare il fluido;
• aumento del rumore dalla pompa.

Esiste una modifica di questo sistema quando, invece della circolazione forzata del fluido di scambio termico, viene utilizzato un mezzo con un basso punto di ebollizione, come il freon. In questo caso, il movimento lungo il circuito è possibile in modo naturale, ma solo se il condotto dell'aria di mandata si trova sopra il condotto di scarico.

Un tale sistema non richiede costi energetici aggiuntivi, ma funziona per il riscaldamento solo con una differenza di temperatura significativa. Inoltre, è necessario mettere a punto il punto di cambiamento nello stato di aggregazione del fluido termovettore, che può essere implementato creando la pressione desiderata o una composizione chimica specifica.

Principali parametri tecnici

Conoscendo le prestazioni richieste del sistema di ventilazione e l'efficienza di scambio termico dello scambiatore di calore, è facile calcolare i risparmi sul riscaldamento dell'aria per una stanza in condizioni climatiche specifiche. Confrontando i potenziali benefici con il costo di acquisto e manutenzione del sistema, è possibile fare una scelta ragionevole a favore di un recuperatore o di un riscaldatore ad aria standard.

Spesso i produttori di apparecchiature offrono una linea di modelli in cui le unità di ventilazione con funzionalità simili differiscono per la quantità di ricambio d'aria. Per i locali residenziali, questo parametro deve essere calcolato secondo la tabella 9.1. SP 54.13330.2016

Coefficiente di prestazione

L'efficienza del recuperatore è intesa come l'efficienza del trasferimento di calore, che è calcolata dalla seguente formula:

K = (T_n - T_n) / (T_in - T_n)

In cui:

• T_n - temperatura dell'aria in ingresso nella stanza;
• T_n - temperatura esterna;
• T_in - temperatura dell'aria nella stanza.

Il massimo valore di efficienza con lo standard portate d'aria e un determinato regime di temperatura indicato nella documentazione tecnica del dispositivo. Il suo tasso reale sarà leggermente inferiore.

Nel caso di fabbricazione indipendente di uno scambiatore di calore a piastre o tubolare, per ottenere la massima efficienza di trasferimento del calore, è necessario rispettare le seguenti regole:

• Il miglior trasferimento di calore è assicurato dai dispositivi controcorrente, quindi dai dispositivi a flusso incrociato e il più piccolo - con il movimento unidirezionale di entrambi i flussi.
• La velocità di trasferimento del calore dipende dal materiale e dallo spessore delle pareti che separano i flussi, nonché dalla durata dell'aria all'interno del dispositivo.

Conoscendo l'efficienza del recuperatore, è possibile calcolare la sua efficienza energetica a varie temperature dell'aria esterna ed interna:

E (W) = 0,36 x P x K x (T_in - T_n)

dove P (m³/ ora) - consumo d'aria.

Il calcolo dell'efficienza del recuperatore in termini monetari e il confronto con i costi del suo acquisto e installazione per un cottage a due piani con una superficie totale di 270 m2 mostra la fattibilità dell'installazione di un tale sistema

Il costo dei recuperatori ad alta efficienza è piuttosto elevato, hanno una struttura complessa e dimensioni considerevoli. A volte è possibile aggirare questi problemi installando diversi dispositivi più semplici in modo che l'aria in ingresso li attraversi in sequenza.

Prestazioni del sistema di ventilazione

Il volume del flusso d'aria è determinato dalla pressione statica, che dipende dalla potenza della ventola e dai principali componenti che creano resistenza aerodinamica.Di norma, il suo calcolo esatto è impossibile a causa della complessità del modello matematico, quindi vengono condotti studi sperimentali per i tipici design monoblocco e vengono selezionati i componenti per i singoli dispositivi.

La potenza della ventola deve essere selezionata tenendo conto della portata degli scambiatori di calore installati di qualsiasi tipo, che è indicato nella documentazione tecnica come la portata raccomandata o il volume di aria passato dal dispositivo per unità di tempo. Di norma, la velocità dell'aria consentita all'interno del dispositivo non supera i 2 m / s.

Altrimenti, alle alte velocità negli elementi stretti del recuperatore c'è un forte aumento della resistenza aerodinamica. Ciò comporta costi energetici superflui, riscaldamento inefficiente dell'aria esterna e riduzione della durata dei ventilatori.

Il grafico della perdita di pressione rispetto alla portata d'aria per diversi modelli di scambiatori di calore ad alte prestazioni mostra un aumento non lineare della resistenza, pertanto è necessario rispettare i requisiti per il volume di scambio d'aria raccomandato indicato nella documentazione tecnica del dispositivo

La modifica della direzione del flusso d'aria crea un'ulteriore resistenza aerodinamica. Pertanto, quando si modella la geometria del condotto interno, è preferibile ridurre al minimo il numero di giri del tubo di 90 gradi. Anche i diffusori per la dispersione dell'aria aumentano la resistenza, quindi è consigliabile non utilizzare elementi con un modello complesso.

I filtri e le griglie contaminati creano significative interferenze con il flusso, pertanto devono essere puliti o sostituiti periodicamente. Uno dei modi efficaci per valutare l'intasamento è installare sensori che monitorano la caduta di pressione nelle aree prima e dopo il filtro.

Conclusioni e video utili sull'argomento

Il principio di funzionamento del recuperatore rotativo e a piastre:

Misurare l'efficienza di un recuperatore a piastre:

I sistemi di ventilazione domestica e industriale con un recuperatore integrato hanno dimostrato la loro efficienza energetica nel mantenere il calore all'interno. Ora ci sono molte offerte per la vendita e l'installazione di tali dispositivi sotto forma di modelli già pronti e testati, nonché per singoli ordini. È possibile calcolare i parametri necessari ed eseguire l'installazione da soli.

Se hai domande durante la lettura delle informazioni o se trovi imprecisioni nel nostro materiale, ti preghiamo di lasciare i tuoi commenti nella casella qui sotto.