Ventilazione di mandata e di scarico con recupero di calore: principio di funzionamento, rassegna di vantaggi e svantaggi
L'apporto di aria fresca durante il periodo freddo comporta la necessità di riscaldarla per garantire il corretto microclima interno.Per ridurre al minimo i costi energetici, è possibile utilizzare la ventilazione di mandata e di scarico con recupero di calore.
Comprendere i principi del suo funzionamento consentirà di ridurre nel modo più efficace la perdita di calore mantenendo un volume sufficiente di aria sostituita. Proviamo a capire questo problema.
Il contenuto dell'articolo:
Risparmio energetico nei sistemi di ventilazione
Nel periodo autunno-primavera, quando si ventilano gli ambienti, un problema serio è la grande differenza di temperatura tra l'aria in entrata e l'aria interna. Il flusso freddo precipita e crea un microclima sfavorevole negli edifici residenziali, negli uffici e nelle fabbriche o un gradiente di temperatura verticale inaccettabile in un magazzino.
Una soluzione comune al problema è l’integrazione nella ventilazione di mandata Riscaldatore d'aria, con l'aiuto del quale il flusso viene riscaldato. Un sistema di questo tipo richiede un consumo energetico, mentre un volume significativo di aria calda che fuoriesce dall'esterno porta a una significativa perdita di calore.
Se i canali di ingresso e uscita dell'aria si trovano nelle vicinanze, è possibile trasferire parzialmente il calore del flusso in uscita a quello in ingresso.Ciò ridurrà il consumo energetico del riscaldatore o lo eliminerà del tutto. Un dispositivo per garantire lo scambio di calore tra flussi di gas a diverse temperature è chiamato recuperatore.
Durante la stagione calda, quando la temperatura dell'aria esterna è notevolmente superiore a quella ambiente, è possibile utilizzare un recuperatore per raffreddare il flusso in ingresso.
Progettazione di un'unità con recuperatore
Struttura interna dei sistemi di ventilazione di mandata e di scarico con recuperatore integrato Sono abbastanza semplici, quindi possono essere acquistati e installati indipendentemente elemento per elemento. Se il montaggio o l'autoinstallazione risulta difficile, è possibile acquistare soluzioni già pronte sotto forma di monoblocco standard o singole strutture prefabbricate su ordinazione.
Elementi principali e loro parametri
Il corpo con isolamento termico e acustico è solitamente realizzato in lamiera d'acciaio. In caso di installazione a parete, deve resistere alla pressione che si forma quando si forma la schiuma nelle fessure attorno all'unità e anche impedire le vibrazioni derivanti dal funzionamento dei ventilatori.
Nel caso di aspirazione e mandata dell'aria distribuita in più ambienti, collegarsi all'abitazione sistema di condotti dell'aria. È dotato di valvole e serrande per distribuire i flussi.
Se non sono presenti condotti dell'aria, sull'apertura di mandata sul lato della stanza viene installata una griglia o un diffusore per distribuire il flusso d'aria. Una griglia di aspirazione dell'aria di tipo esterno è installata sull'apertura di ingresso lato strada per impedire l'ingresso di uccelli, insetti di grandi dimensioni e detriti nel sistema di ventilazione.
Il movimento dell'aria è assicurato da due ventilatori ad azione assiale o centrifuga. 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'intensità dell'intasamento dei canali sottili dello scambiatore di calore con depositi di polvere e grasso. In caso contrario, affinché il sistema funzioni pienamente, sarà necessario aumentare la frequenza della manutenzione preventiva.
Uno o più recuperatori occupano il volume principale del dispositivo di alimentazione e scarico. Sono montati al centro della struttura.
In caso di forti gelate tipiche del territorio e di efficienza insufficiente del recuperatore per riscaldare l'aria esterna, è possibile installare inoltre un riscaldatore. Inoltre, se necessario, vengono installati un umidificatore, uno ionizzatore e altri dispositivi per creare un microclima favorevole nella stanza.
I modelli moderni includono un'unità di controllo elettronica. Le modifiche complesse hanno funzioni per programmare le modalità operative in base ai parametri fisici dell'ambiente aereo. I pannelli esterni hanno un aspetto attraente, grazie al quale possono adattarsi bene a qualsiasi interno.
Risolvere il problema della condensa
Il raffreddamento dell'aria proveniente dall'ambiente crea i presupposti per il rilascio di umidità e la formazione di condensa. In caso di portata elevata, la maggior parte non ha il tempo di accumularsi nel recuperatore e va all'esterno.Con un movimento lento dell'aria, una parte significativa dell'acqua rimane all'interno del dispositivo. Pertanto, è necessario garantire che l'umidità venga raccolta e rimossa all'esterno dell'alloggiamento. sistema di alimentazione e scarico.
L'umidità viene rimossa in un contenitore chiuso. Viene posizionato solo all'interno per evitare il congelamento dei canali di deflusso a temperature inferiori allo zero. Non esiste un algoritmo per il calcolo affidabile del volume d'acqua ricevuto quando si utilizzano sistemi con recuperatore, quindi viene determinato sperimentalmente.
Il riutilizzo della condensa per l'umidificazione dell'aria non è auspicabile, poiché l'acqua assorbe molti inquinanti come sudore umano, odori, ecc.
È possibile ridurre significativamente il volume della condensa ed evitare problemi associati alla sua comparsa organizzando un sistema di scarico separato dal bagno e dalla cucina. È in queste stanze che l'aria ha la massima umidità. Se sono presenti più impianti di scarico, è necessario limitare il ricambio d'aria tra la zona tecnica e quella residenziale mediante l'installazione di valvole di ritegno.
Se il flusso d'aria esausta viene raffreddato a temperature negative all'interno del recuperatore, la condensa si trasforma in ghiaccio, provocando una riduzione della sezione aperta del flusso e, di conseguenza, una diminuzione del volume o la completa cessazione della ventilazione.
Per lo sbrinamento periodico o una tantum del recuperatore, è installato un bypass: un canale di bypass per il movimento dell'aria di alimentazione. Quando un flusso bypassa il dispositivo, il trasferimento di calore si interrompe, lo scambiatore di calore si riscalda e il ghiaccio passa allo stato liquido. L'acqua confluisce nel serbatoio di raccolta condensa oppure evapora all'esterno.
Quando il flusso passa attraverso il bypass non si verifica il riscaldamento dell'aria di mandata attraverso il recuperatore. Pertanto, quando questa modalità è attivata, il riscaldatore deve accendersi automaticamente.
Caratteristiche dei vari tipi di recuperatori
Esistono diverse opzioni strutturalmente diverse per implementare lo scambio di calore tra flussi di aria fredda e riscaldata. Ognuno di essi ha le sue caratteristiche distintive, che determinano lo scopo principale di ciascun tipo di recuperatore.
Recuperatore a flussi incrociati a piastre
La progettazione del recuperatore a piastre si basa su pannelli a pareti sottili, collegati alternativamente in modo tale da alternare il passaggio di flussi di diversa temperatura tra loro 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.
I pannelli di scambio termico possono essere realizzati in vari materiali:
- le leghe a base di rame, ottone e alluminio hanno una buona conduttività termica e non sono soggette alla ruggine;
- plastica realizzata con un materiale polimerico idrofobo con un elevato coefficiente di conduttività termica e peso ridotto;
- la cellulosa igroscopica permette alla condensa di penetrare attraverso la piastra e di ritornare nell'ambiente.
Lo svantaggio è la possibilità che si formi 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 bloccare il flusso d'aria in entrata per riscaldare le piastre.
I vantaggi dei recuperatori a piastre sono i seguenti:
- basso costo;
- lunga durata;
- lungo periodo tra la manutenzione preventiva e la facilità della sua implementazione;
- dimensioni e peso ridotti.
Questo tipo di recuperatore è più comune per i locali residenziali e per gli uffici. Viene utilizzato anche in alcuni processi tecnologici, ad esempio per ottimizzare la combustione del carburante durante il funzionamento dei forni.
Tipo a tamburo o rotativo
Il principio di funzionamento di un recuperatore rotativo si basa sulla rotazione di uno scambiatore di calore, all'interno del quale sono presenti strati di lamiera ondulata ad elevata capacità termica. Per effetto dell'interazione con il flusso in uscita, viene riscaldato il settore del tamburo, che successivamente cede calore all'aria in ingresso.
I vantaggi dei recuperatori rotativi sono i seguenti:
- efficienza piuttosto elevata rispetto ai tipi concorrenti;
- ritorno di una grande quantità di umidità, che rimane sotto forma di condensa sul tamburo ed evapora al contatto con l'aria secca in entrata.
Questo tipo di recuperatore viene utilizzato meno spesso negli edifici residenziali per la ventilazione di appartamenti o cottage. Viene spesso utilizzato nelle grandi caldaie per restituire il calore ai forni o per grandi locali industriali o commerciali.
Tuttavia, questo tipo di dispositivo presenta notevoli svantaggi:
- un design relativamente complesso 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 si può imbattersi nel termine “scambiatore di calore rigenerativo”, che è più corretto di “recuperatore”. Il fatto è che una piccola parte dell'aria di scarico ritorna a causa dell'adattamento allentato del tamburo al corpo della struttura.
Ciò impone ulteriori restrizioni sulla possibilità di utilizzare dispositivi di questo tipo. Ad esempio, l'aria inquinata proveniente dalle stufe non può essere utilizzata come refrigerante.
Sistema di tubi e involucri
Un recuperatore di tipo tubolare è costituito da un sistema di tubi a parete sottile di piccolo diametro posti in un involucro coibentato, attraverso il quale avviene l'afflusso di aria esterna. L'involucro rimuove l'aria calda dalla stanza, che riscalda il flusso in entrata.
I principali vantaggi dei recuperatori tubolari sono i seguenti:
- alta efficienza grazie al principio di movimento controcorrente del liquido di raffreddamento e dell'aria in entrata;
- la semplicità progettuale e l'assenza di parti in movimento garantisce bassi livelli di rumorosità e richiede raramente manutenzione;
- lunga durata;
- la sezione più piccola tra tutti i tipi di dispositivi di recupero.
I tubi per questo tipo di dispositivi utilizzano metalli in lega leggera o, meno comunemente, polimeri. Questi materiali non sono igroscopici, pertanto, con una notevole differenza di temperatura di mandata, si può formare un'intensa condensa nell'involucro, che richiede una soluzione costruttiva per la sua rimozione.Un altro svantaggio è che l'imbottitura metallica ha un peso significativo, nonostante le sue piccole dimensioni.
La semplicità del design di un recuperatore tubolare rende questo tipo di dispositivo popolare per l'autoproduzione. Come involucro esterno vengono solitamente utilizzati tubi in plastica per condotti d'aria, isolati con guscio in schiuma poliuretanica.
Dispositivo con refrigerante intermedio
A volte i condotti dell'aria di mandata e di scarico si trovano a una certa distanza l'uno dall'altro. Questa situazione può verificarsi a causa delle caratteristiche tecnologiche dell'edificio o dei requisiti sanitari per una separazione affidabile dei flussi d'aria.
In questo caso viene utilizzato un liquido di raffreddamento intermedio, che circola tra i condotti dell'aria attraverso una tubazione isolata. Come mezzo di trasferimento dell'energia termica viene utilizzata acqua o una soluzione acqua-glicole, la cui circolazione è assicurata dal funzionamento pompa di calore.
Se è possibile utilizzare un altro 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 tali dispositivi non vengono utilizzati per ambienti piccoli con basso flusso d'aria;
- volume e peso significativi dell'intero sistema;
- la necessità di un'ulteriore pompa elettrica per far circolare il liquido;
- aumento del rumore della pompa.
Esiste una modifica di questo sistema quando, al posto della circolazione forzata del fluido di scambio termico, viene utilizzato un mezzo a basso punto di ebollizione, come il freon.In questo caso il movimento lungo il contorno è naturalmente possibile, ma solo se il canale dell'aria di mandata si trova sopra il canale dell'aria di scarico.
Un tale sistema non richiede costi energetici aggiuntivi, ma funziona per il riscaldamento solo quando c'è una differenza di temperatura significativa. Inoltre è necessario mettere a punto il punto in cui cambia lo stato di aggregazione del fluido di scambio termico, cosa che può essere ottenuta creando la pressione richiesta o una determinata composizione chimica.
Principali parametri tecnici
Conoscendo le prestazioni richieste del sistema di ventilazione e l'efficienza di scambio termico del recuperatore, è facile calcolare il risparmio sul riscaldamento dell'aria per un ambiente in specifiche condizioni climatiche. Confrontando i potenziali benefici con i costi di acquisto e manutenzione del sistema, si può ragionevolmente fare una scelta a favore di un recuperatore o di un riscaldatore d'aria standard.
Efficienza
Per efficienza di un recuperatore si intende l'efficienza di trasferimento del calore, che si calcola utilizzando la seguente formula:
K = (TP - TN) / (TV - TN)
In cui:
- TP – temperatura dell'aria in ingresso nell'ambiente;
- TN – temperatura dell'aria esterna;
- TV – temperatura dell’aria ambiente.
Valore massimo di efficienza di serie velocità del flusso d'aria e un certo regime di temperatura sono indicati nella documentazione tecnica del dispositivo. La sua cifra effettiva sarà leggermente inferiore.
Nel caso di autoproduzione di un recuperatore a piastre o tubolare, per ottenere la massima efficienza di scambio termico è necessario rispettare le seguenti regole:
- Il miglior trasferimento di calore è fornito dai dispositivi a flusso controcorrente, quindi dai dispositivi a flusso incrociato e il minimo dal movimento unidirezionale di entrambi i flussi.
- L'intensità del trasferimento di calore dipende dal materiale e dallo spessore delle pareti che separano i flussi, nonché dalla durata dell'aria all'interno dell'apparecchio.
Conoscendo l'efficienza del recuperatore è possibile calcolarne l'efficienza energetica a diverse temperature dell'aria esterna ed interna:
E(L) = 0,36 x P x K x (TV - TN)
dove P (m3/ora) – flusso d'aria.
Il costo dei recuperatori ad alta efficienza è piuttosto elevato, hanno un design complesso e dimensioni significative. A volte è possibile aggirare questi problemi installando diversi dispositivi più semplici in modo che l'aria in entrata li attraversi in sequenza.
Prestazioni del sistema di ventilazione
Il volume d'aria attraversato è determinato dalla pressione statica, che dipende dalla potenza del ventilatore e dai principali componenti che creano resistenza aerodinamica. Di norma, il suo calcolo esatto è impossibile a causa della complessità del modello matematico, pertanto vengono condotti studi sperimentali per strutture monoblocco standard e vengono selezionati i componenti per i singoli dispositivi.
La potenza del ventilatore deve essere selezionata tenendo conto della portata degli scambiatori di calore installati di qualsiasi tipo, che è indicata nella documentazione tecnica come portata o volume d'aria consigliato fatto passare 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, si verifica un forte aumento della resistenza aerodinamica negli elementi stretti del recuperatore. Ciò comporta costi energetici inutili, un riscaldamento inefficace dell’aria esterna e una durata ridotta del ventilatore.
Cambiare la direzione del flusso d'aria crea ulteriore resistenza aerodinamica. Pertanto, quando si modella la geometria di un condotto dell'aria interna, è opportuno ridurre al minimo di 90 gradi il numero di giri del tubo. I diffusori d'aria aumentano anche la resistenza, quindi è consigliabile non utilizzare elementi con motivi complessi.
Filtri e griglie sporchi creano un'interferenza significativa con il flusso, quindi devono essere periodicamente puliti o sostituiti. Un modo efficace per valutare l'intasamento è installare sensori che monitorano la caduta di pressione nelle aree prima e dopo il filtro.
Conclusioni e video utile sull'argomento
Principio di funzionamento del recuperatore rotativo e a piastre:
Misurazione dell'efficienza di un recuperatore a piastre:
I sistemi di ventilazione domestica e industriale con 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, sia sotto forma di modelli già pronti e testati, sia su ordini individuali. Puoi calcolare i parametri necessari ed eseguire tu stesso l'installazione.
Se hai domande durante la lettura delle informazioni o trovi inesattezze nel nostro materiale, lascia i tuoi commenti nel blocco sottostante.