Ventilação de insuflação e exaustão com recuperação de calor: princípio de funcionamento, revisão de vantagens e desvantagens

O fornecimento de ar fresco durante o período frio leva à necessidade de aquecê-lo para garantir o correto microclima interno.Para minimizar os custos de energia, pode-se utilizar ventilação de insuflação e exaustão com recuperação de calor.

Compreender os princípios de sua operação permitirá reduzir de forma mais eficaz a perda de calor, mantendo um volume suficiente de ar substituído. Vamos tentar entender esse problema.

Economia de energia em sistemas de ventilação

No período outono-primavera, durante a ventilação dos ambientes, um problema sério é a grande diferença de temperatura entre o ar que entra e o ar interno. O fluxo frio desce e cria um microclima desfavorável em edifícios residenciais, escritórios e fábricas ou um gradiente vertical de temperatura inaceitável em um armazém.

Uma solução comum para o problema é a integração na ventilação fornecida aquecedor de ar, com a ajuda do qual o fluxo é aquecido. Tal sistema requer consumo de energia, enquanto um volume significativo de ar quente que escapa para o exterior leva a uma perda significativa de calor.

A saída de ar para o exterior com vapor intenso serve como indicador de significativa perda de calor, que pode ser utilizada para aquecer o fluxo de entrada

Se os canais de entrada e saída de ar estiverem localizados próximos, é possível transferir parcialmente o calor do fluxo de saída para o fluxo de entrada.Isso reduzirá o consumo de energia do aquecedor ou o eliminará completamente. Um dispositivo que garante a troca de calor entre fluxos de gases de diferentes temperaturas é denominado recuperador.

Na estação quente, quando a temperatura do ar externo é significativamente superior à temperatura ambiente, um recuperador pode ser usado para resfriar o fluxo de entrada.

Projeto de unidade com recuperador

Estrutura interna dos sistemas de alimentação e exaustão com recuperador integrado São bastante simples, pelo que podem ser adquiridos e instalados de forma independente, elemento por elemento. Se a montagem ou auto-instalação for difícil, você pode adquirir soluções prontas na forma de monobloco padrão ou estruturas pré-fabricadas individuais sob encomenda.

Um projeto típico de sistema de alimentação e exaustão com recuperador localizado em um único corpo pode ser complementado com outros componentes a critério do usuário

Elementos principais e seus parâmetros

O corpo com isolamento térmico e acústico é geralmente feito de chapa de aço. No caso de instalação na parede, deve suportar a pressão que ocorre ao espumar as fissuras ao redor do aparelho, além de evitar vibrações decorrentes do funcionamento dos ventiladores.

No caso de entrada e fluxo de ar distribuído em vários ambientes, conectar à caixa sistema de duto de ar. Está equipado com válvulas e amortecedores para distribuição de fluxos.

Se não houver dutos de ar, uma grade ou difusor é instalada na abertura de entrada na lateral da sala para distribuir o fluxo de ar. Uma grade de entrada de ar externa é instalada na abertura de entrada do lado da rua para evitar a entrada de pássaros, grandes insetos e detritos no sistema de ventilação.

A movimentação do ar é fornecida por dois ventiladores de ação axial ou centrífuga. Na presença de um recuperador, a circulação natural do ar em volume suficiente é impossível devido à resistência aerodinâmica criada por esta unidade.

A presença de recuperador envolve a instalação de filtros finos na entrada de ambos os fluxos. Isso é necessário para reduzir a intensidade de entupimento dos canais finos do trocador de calor com depósitos de poeira e graxa. Caso contrário, para que o sistema funcione plenamente, será necessário aumentar a frequência das manutenções preventivas.

Os filtros finos devem ser trocados ou limpos periodicamente. Caso contrário, o aumento da resistência ao fluxo de ar causará falha no ventilador.

Um ou mais recuperadores ocupam o volume principal do dispositivo de alimentação e exaustão. Eles são montados no centro da estrutura.

No caso de geadas severas típicas do território e eficiência insuficiente do recuperador para aquecer o ar exterior, pode-se instalar adicionalmente um aquecedor. Além disso, se necessário, são instalados um umidificador, ionizador e outros dispositivos para criar um microclima favorável no ambiente.

Os modelos modernos incluem uma unidade de controle eletrônico. Modificações complexas possuem funções para programar modos de operação dependendo dos parâmetros físicos do ambiente aéreo. Os painéis externos têm uma aparência atraente, graças à qual se adaptam bem a qualquer interior.

Resolvendo o problema da condensação

O resfriamento do ar que sai da sala cria os pré-requisitos para a liberação de umidade e a formação de condensação. No caso de vazão alta, a maior parte não tem tempo de se acumular no recuperador e vai para fora.Com movimento lento do ar, uma parte significativa da água permanece dentro do aparelho. Portanto, é necessário garantir que a umidade seja coletada e removida para fora da caixa. sistema de alimentação e exaustão.

Um dispositivo elementar para coletar e descarregar condensado é uma bandeja localizada sob o trocador de calor com inclinação em direção ao orifício de drenagem

A umidade é removida em um recipiente fechado. É colocado apenas em ambientes internos para evitar o congelamento dos canais de saída em temperaturas abaixo de zero. Não existe um algoritmo para cálculo confiável do volume de água recebido em sistemas com recuperador, por isso é determinado experimentalmente.

A reutilização do condensado para umidificação do ar é indesejável, pois a água absorve muitos poluentes, como suor humano, odores, etc.

Você pode reduzir significativamente o volume de condensado e evitar problemas associados à sua ocorrência organizando um sistema de exaustão separado do banheiro e da cozinha. É nestas divisões que o ar apresenta maior humidade. Caso existam vários sistemas de exaustão, a troca de ar entre as áreas técnicas e residenciais deve ser limitada através da instalação de válvulas de retenção.

Se o fluxo de ar de exaustão for resfriado a temperaturas negativas no interior do recuperador, o condensado se transforma em gelo, o que provoca uma redução na seção transversal aberta do fluxo e, como consequência, uma diminuição do volume ou uma cessação completa da ventilação.

Para o degelo periódico ou único do recuperador, é instalado um bypass - um canal de bypass para a movimentação do ar fornecido. Quando um fluxo desvia do dispositivo, a transferência de calor é interrompida, o trocador de calor aquece e o gelo passa para o estado líquido. A água flui para o tanque de coleta de condensado ou evapora externamente.

O princípio de funcionamento do dispositivo bypass é simples, portanto, caso haja risco de formação de gelo, é aconselhável prever tal solução, pois o aquecimento do recuperador por outros meios é complexo e demorado

Quando o fluxo passa pelo bypass, não há aquecimento do ar fornecido pelo recuperador. Portanto, quando este modo estiver ativado, o aquecedor deverá ligar automaticamente.

Características de vários tipos de recuperadores

Existem várias opções estruturalmente diferentes para implementar a troca de calor entre fluxos de ar frio e aquecido. Cada um deles possui características próprias, que determinam a finalidade principal de cada tipo de recuperador.

Recuperador de fluxo cruzado de placas

O projeto do recuperador de placas é baseado em painéis de paredes finas, conectados alternadamente de forma a alternar a passagem de fluxos de diferentes temperaturas entre eles em um ângulo de 90 graus. Uma das modificações deste modelo é um dispositivo com canais aletados para passagem de ar. Possui um coeficiente de transferência de calor mais alto.

A passagem alternada do fluxo de ar quente e frio através das placas é realizada dobrando as bordas das placas e selando as juntas com resina de poliéster

Os painéis de troca de calor podem ser feitos de vários materiais:

• ligas à base de cobre, latão e alumínio têm boa condutividade térmica e não são suscetíveis à ferrugem;
• plástico feito de material polimérico hidrofóbico com alto coeficiente de condutividade térmica e baixo peso;
• a celulose higroscópica permite que a condensação penetre através da placa e volte para a sala.

A desvantagem é a possibilidade de formação de condensação em baixas temperaturas.Devido à pequena distância entre as placas, a umidade ou o gelo aumentam significativamente o arrasto aerodinâmico. Em caso de congelamento, é necessário bloquear o fluxo de ar que entra para aquecer as placas.

As vantagens dos recuperadores de placas são as seguintes:

• baixo custo;
• longa vida útil;
• longo período entre a manutenção preventiva e a facilidade de sua execução;
• pequenas dimensões e peso.

Este tipo de recuperador é mais comum em instalações residenciais e de escritórios. Também é utilizado em alguns processos tecnológicos, por exemplo, para otimizar a combustão de combustíveis durante a operação de fornos.

Tambor ou tipo rotativo

O princípio de funcionamento de um recuperador rotativo baseia-se na rotação de um trocador de calor, dentro do qual existem camadas de metal corrugado com alta capacidade térmica. Como resultado da interação com o fluxo de saída, o setor do tambor é aquecido, que posteriormente emite calor para o ar que entra.

O trocador de calor de malha fina de um recuperador rotativo é suscetível a entupimento, por isso é necessário prestar atenção especial à qualidade do funcionamento dos filtros finos

As vantagens dos recuperadores rotativos são as seguintes:

• eficiência bastante elevada em comparação com tipos concorrentes;
• retorno de grande quantidade de umidade, que permanece em forma de condensação no tambor e evapora ao entrar em contato com o ar seco que entra.

Este tipo de recuperador é menos utilizado em edifícios residenciais para ventilação de apartamentos ou chalés. É frequentemente usado em grandes caldeiras para devolver calor aos fornos ou em grandes instalações industriais ou comerciais.

No entanto, este tipo de dispositivo apresenta desvantagens significativas:

• um projeto relativamente complexo com peças móveis, incluindo motor elétrico, tambor e acionamento por correia, que requer manutenção constante;
• aumento do nível de ruído.

Às vezes, para dispositivos deste tipo, você pode encontrar o termo “trocador de calor regenerativo”, que é mais correto que “recuperador”. O fato é que uma pequena parte do ar de exaustão retorna devido ao ajuste frouxo do tambor ao corpo da estrutura.

Isto impõe restrições adicionais à capacidade de usar dispositivos deste tipo. Por exemplo, o ar poluído de fogões de aquecimento não pode ser usado como refrigerante.

Sistema de tubo e revestimento

Um recuperador tipo tubular consiste em um sistema de tubos de paredes finas e de pequeno diâmetro localizados em um invólucro isolado, por onde ocorre o influxo de ar externo. A caixa remove o ar quente da sala, o que aquece o fluxo de entrada.

O ar quente deve ser descarregado pela carcaça e não por sistema de tubos, pois é impossível retirar a condensação dos mesmos

As principais vantagens dos recuperadores tubulares são as seguintes:

• alta eficiência devido ao princípio contracorrente de movimento do refrigerante e do ar que entra;
• a simplicidade do design e a ausência de peças móveis garantem baixos níveis de ruído e raramente requerem manutenção;
• longa vida útil;
• a menor seção transversal entre todos os tipos de dispositivos de recuperação.

Os tubos para este tipo de dispositivo usam liga metálica leve ou, menos comumente, polímero. Esses materiais não são higroscópicos, portanto, com diferença significativa nas temperaturas de fluxo, pode ocorrer condensação intensa no invólucro, o que requer uma solução construtiva para sua remoção.Outra desvantagem é que o enchimento metálico tem um peso significativo, apesar de suas pequenas dimensões.

A simplicidade do design de um recuperador tubular torna este tipo de dispositivo popular para autoprodução. Tubos de plástico para dutos de ar, isolados com uma concha de espuma de poliuretano, geralmente são usados ​​​​como revestimento externo.

Dispositivo com refrigerante intermediário

Às vezes, os dutos de fornecimento e exaustão estão localizados a alguma distância um do outro. Esta situação pode surgir devido às características tecnológicas do edifício ou aos requisitos sanitários para uma separação confiável dos fluxos de ar.

Neste caso, é utilizado um refrigerante intermediário, circulando entre os dutos de ar através de uma tubulação isolada. A água ou uma solução de água-glicol é utilizada como meio de transferência de energia térmica, cuja circulação é garantida pela operação bomba de calor.

Um recuperador com refrigerante intermediário é um dispositivo volumoso e caro, cuja utilização se justifica economicamente para instalações com grandes áreas

Se for possível utilizar outro tipo de recuperador, então é melhor não utilizar um sistema com refrigerante intermediário, pois apresenta as seguintes desvantagens significativas:

• baixa eficiência em comparação com outros tipos de dispositivos, portanto tais dispositivos não são utilizados para salas pequenas com baixo fluxo de ar;
• volume e peso significativos de todo o sistema;
• a necessidade de bomba elétrica adicional para circulação do líquido;
• aumento do ruído da bomba.

Há uma modificação deste sistema quando, em vez da circulação forçada do fluido trocador de calor, é utilizado um meio com baixo ponto de ebulição, como o freon.Neste caso, o movimento ao longo do contorno é possível naturalmente, mas somente se o duto de ar de entrada estiver localizado acima do duto de exaustão.

Tal sistema não requer custos adicionais de energia, mas só funciona para aquecimento quando há uma diferença significativa de temperatura. Além disso, é necessário ajustar o ponto de mudança no estado agregado do fluido de troca de calor, o que pode ser realizado criando a pressão necessária ou uma determinada composição química.

Principais parâmetros técnicos

Conhecendo o desempenho exigido do sistema de ventilação e a eficiência da troca de calor do recuperador, é fácil calcular a economia no aquecimento do ar de uma sala sob condições climáticas específicas. Ao comparar os benefícios potenciais com os custos de aquisição e manutenção do sistema, você pode razoavelmente fazer uma escolha a favor de um recuperador ou de um aquecedor de ar padrão.

Os fabricantes de equipamentos geralmente oferecem uma linha de modelos em que unidades de ventilação com funcionalidade semelhante diferem no volume de troca de ar. Para instalações residenciais, este parâmetro deve ser calculado conforme Tabela 9.1. SP 54.13330.2016

Eficiência

A eficiência de um recuperador é entendida como a eficiência de transferência de calor, que é calculada pela seguinte fórmula:

K = (T_P -T_n) / (T_V -T_n)

Em que:

• T_P – temperatura do ar que entra na sala;
• T_n – temperatura do ar exterior;
• T_V – temperatura do ar ambiente.

Valor máximo de eficiência no padrão velocidade do fluxo de ar e um determinado regime de temperatura estão indicados na documentação técnica do dispositivo. Seu valor real será um pouco menor.

No caso de fabricação própria de recuperador de placas ou tubulares, para obter a máxima eficiência de transferência de calor, devem-se seguir as seguintes regras:

• A melhor transferência de calor é fornecida por dispositivos de contrafluxo, depois por dispositivos de fluxo cruzado e, pelo menos, pelo movimento unidirecional de ambos os fluxos.
• A intensidade da transferência de calor depende do material e da espessura das paredes que separam os fluxos, bem como da duração do ar no interior do dispositivo.

Conhecendo a eficiência do recuperador, é possível calcular sua eficiência energética em diferentes temperaturas do ar externo e interno:

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

onde P (m³/hora) – fluxo de ar.

Cálculo da eficiência do recuperador em termos monetários e comparação com os custos de sua aquisição e instalação para um chalé de dois andares com área total de 270 m2 mostra a viabilidade de instalação de tal sistema

O custo dos recuperadores de alta eficiência é bastante elevado, possuem design complexo e dimensões significativas. Às vezes, você pode contornar esses problemas instalando vários dispositivos mais simples para que o ar que entra passe por eles sequencialmente.

Desempenho do sistema de ventilação

O volume de ar que passa é determinado pela pressão estática, que depende da potência do ventilador e dos principais componentes que criam resistência aerodinâmica. Via de regra, seu cálculo exato é impossível devido à complexidade do modelo matemático, portanto, estudos experimentais são realizados para estruturas monobloco padrão e componentes são selecionados para dispositivos individuais.

A potência do ventilador deve ser selecionada levando-se em consideração a vazão dos trocadores de calor instalados de qualquer tipo, que está indicada na documentação técnica como a vazão recomendada ou volume de ar que passa pelo dispositivo por unidade de tempo. Como regra, a velocidade do ar permitida dentro do dispositivo não excede 2 m/s.

Caso contrário, em altas velocidades, ocorre um aumento acentuado na resistência aerodinâmica nos elementos estreitos do recuperador. Isto leva a custos desnecessários de energia, aquecimento ineficaz do ar exterior e redução da vida útil do ventilador.

O gráfico de perda de pressão versus vazão de ar para diversos modelos de recuperadores de alto desempenho mostra um aumento não linear na resistência, portanto é necessário atender aos requisitos de volume de troca de ar recomendado especificados na documentação técnica do dispositivo

Mudar a direção do fluxo de ar cria um arrasto aerodinâmico adicional. Portanto, ao modelar a geometria de um duto de ar interno, é desejável minimizar o número de voltas do tubo em 90 graus. Os difusores de ar também aumentam a resistência, por isso é aconselhável não utilizar elementos com padrões complexos.

Filtros e grades sujos criam interferência significativa no fluxo, por isso devem ser limpos ou substituídos periodicamente. Uma forma eficaz de avaliar o entupimento é instalar sensores que monitorem a queda de pressão nas áreas antes e depois do filtro.

Conclusões e vídeo útil sobre o tema

Princípio de funcionamento do recuperador rotativo e de placas:

Medindo a eficiência de um recuperador tipo placa:

Os sistemas de ventilação doméstica e industrial com recuperador integrado comprovaram a sua eficiência energética na manutenção do calor em interiores. Agora existem muitas ofertas de venda e instalação desses dispositivos, tanto na forma de modelos prontos e testados, quanto em pedidos individuais. Você mesmo pode calcular os parâmetros necessários e realizar a instalação.

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