Recuperação de calor em sistemas de ventilação: princípio de funcionamento e opções de design

Durante o processo de ventilação, não só o ar de exaustão é reciclado da sala, mas também parte da energia térmica. No inverno, isso leva a contas de energia mais altas.

A recuperação de calor em sistemas de ventilação centralizados e locais permitirá reduzir custos injustificados sem comprometer a troca de ar. Para recuperar a energia térmica, são utilizados diferentes tipos de trocadores de calor - recuperadores.

O artigo descreve detalhadamente os modelos de unidades, suas características de design, princípios de funcionamento, vantagens e desvantagens. As informações apresentadas ajudarão na escolha da melhor opção para a disposição do sistema de ventilação.

O conceito de recuperação: o princípio de funcionamento do trocador de calor

Traduzido do latim, recuperação significa compensação ou devolução. No que diz respeito às reações de troca de calor, a recuperação caracteriza-se como um retorno parcial da energia despendida em uma ação tecnológica para efeito de aplicação no mesmo processo.

EM sistema de ventilação O princípio de recuperação é usado para economizar energia térmica.

Por analogia, o resfriamento é recuperado em climas quentes - massas influentes quentes aquecem os resíduos de exaustão e sua temperatura diminui.

O processo de recuperação de energia é realizado num trocador de calor recuperativo.O dispositivo inclui um elemento trocador de calor e ventiladores para bombear fluxos de ar multidirecionais. Um sistema de automação é utilizado para controlar o processo e controlar a qualidade do fornecimento de ar.

O projeto é projetado de forma que os fluxos de alimentação e exaustão fiquem em compartimentos separados e não se misturem - a recuperação de calor é realizada através das paredes do trocador de calor.

Entenda e entenda o que é ventilação com recuperação Um diagrama visual da circulação de ar ajudará.

O ar de exaustão sai através de exaustores em ambientes úmidos (lavabo, banheiro, cozinha). Antes de ser retirado para o exterior, passa pelo recuperador e deixa parte do calor. O ar fornecido move-se na direção oposta, aquece e entra nas salas (+)

A viabilidade de um recuperador em ventilação

Podemos falar da viabilidade de instalação de ventilação recuperativa avaliando a eficácia do sistema e comparando suas vantagens com desvantagens.

Parte do calor é retirada do ar de exaustão aspirado para fora e transferida para jatos frescos forçados direcionados para dentro da sala. Isto permite reduzir a perda de calor em até 70% (+)

A necessidade de utilização de recuperação de calor é mais relevante em edifícios com exaustão de ar forçada. Via de regra, trata-se de edifícios de baixa inércia erguidos com tecnologias inovadoras de isolamento térmico (casas feitas de painéis sanduíche, placas de silicato de gás, blocos de espuma).

Nesses edifícios, as paredes não acumulam bem o calor e a troca natural de ar é ineficaz.

No entanto, problemas de circulação de ar também são típicos de edifícios “tradicionais” feitos de tijolo e concreto.A presença de janelas de PVC seladas com isolamento térmico e acústico bloqueia a circulação com um impulso natural - o fluxo de ar fresco é interrompido e a tiragem no duto de ventilação tomba ou tende a zero.

A solução para o problema das “Euro-janelas” é a organização da ventilação forçada. O sistema restaura a troca de ar, mas a perda de calor aumenta em até 60%. E aqui já não é possível prescindir da recuperação de calor.

A eficiência do processo de troca é expressa em porcentagem e mostra a quantidade de calor gasta do ar de exaustão para aquecer a “entrada” fresca

Indicador de eficiência de recuperação de calor da ventilação:

• 0% - janela aberta - o ar quente é retirado para a atmosfera e o ar frio entra, baixando a temperatura do ambiente;
• 100% - o ar fornecido é aquecido até a temperatura de “exaustão” - tecnicamente impossível de implementar;
• 30-90% - um parâmetro aceitável, uma recuperação com eficiência de 60% ou mais é considerada boa, uma eficiência superior a 80% é uma excelente transferência de calor.

A eficiência do sistema depende do tipo de recuperador, das dimensões da sala e do fluxo de ar. Em qualquer caso, a utilização de ventilação de recuperação, mesmo com eficiência de 30%, é mais rentável do que a sua ausência. Além de economias significativas em recursos energéticos, a “regeneração” de calor melhora o microclima geral da sala.

Desvantagens de usar um trocador de calor:

1. Dependência energética. A aquisição de equipamentos de climatização justifica-se se o consumo de energia elétrica for significativamente inferior à poupança após a instalação do recuperador.
2. Condensação. Devido às diferenças de temperatura, a umidade pode condensar nas paredes do trocador de calor. No inverno, existe a possibilidade de formação de gelo, o que pode levar a uma rápida diminuição da eficiência ou falha do recuperador.
3. Trabalho barulhento. Alguns modelos emitem um zumbido durante a operação.Se durante o dia esta desvantagem não for particularmente perceptível, à noite o ruído causa desconforto. Recuperadores com isolamento aprimorado operam silenciosamente.

O elevado investimento inicial é muitas vezes o principal argumento contra a ventilação energeticamente eficiente.

É aconselhável investir dinheiro em um sistema que terá retorno dentro de 5 a 8 anos. Deve-se levar em consideração que serão necessários custos adicionais para manutenção do complexo, por exemplo, substituição periódica de ventiladores

Características de diferentes tipos de trocadores de calor

O projeto do recuperador determina o padrão de fluxo do refrigerante, a eficiência do sistema de ventilação, a classe de consumo de energia e o custo do equipamento. São utilizados cinco tipos de trocadores de calor: placas, rotativos, tubos de calor, dispositivos de câmara e modelos com refrigerante intermediário.

Recuperador de placas – simplicidade de design

A base do trocador de calor é uma câmara selada com muitos dutos de ar paralelos. Os canais são separados por divisórias - placas condutoras de calor feitas de aço ou alumínio.

Placas em forma de onda (60-70 peças) são agrupadas em um bloco de modo que os canais formados fiquem localizados transversalmente entre si - a turbulência criada melhora a transferência de calor (+)

Os fluxos de gás movem-se um em direção ao outro, cruzam-se no cassete recuperador, mas não se misturam. A troca de calor é realizada devido ao resfriamento e aquecimento simultâneos das placas em diferentes lados.

Vantagens de um trocador de calor cruzado:

• facilidade de instalação e configuração de equipamentos;
• exclusão de contato de massas de ar;
• custo acessível e dimensões compactas;
• ausência de fricção e peças móveis.

A taxa de eficiência varia na faixa de 40-70%.

A principal desvantagem do modelo de placas é a sedimentação de condensado no duto de exaustão e a formação de gelo no inverno. Para descongelar a unidade, o fluxo de entrada é redirecionado para desviar do trocador de calor e o fluxo quente de saída derrete o gelo nas placas.

No modo “degelo” não ocorre economia de energia, sendo utilizados aquecedores de ar com potência de até 5 kW para aquecer o ar que entra. O valor médio da eficiência cai 20% (+)

Existem duas maneiras possíveis de resolver o problema:

1. Pré-aquecimento do fluxo de ar que entra a uma temperatura na qual a formação de gelo é excluída.
2. Recuperador com placas de celulose higroscópica. O material absorve a umidade das massas de ar de exaustão e a transfere para novos fluxos de entrada.

Ao escolher um trocador de calor cruzado, deve-se levar em consideração as características operacionais das placas.

Suas características dependem do material de fabricação:

1. Folha de alumínio – custo acessível, mas desempenho limitado no inverno. Além disso, não é recomendado para instalações residenciais devido à secagem ao ar. Modificações com “enchimento” de alumínio são a melhor opção para banheiras e piscinas.
2. Divisórias de plástico - semelhantes em preço aos produtos de metal, mas diferem na maior eficiência operacional.
3. Trocador de calor de celulose – evitar o congelamento e manter o teor normal de umidade dentro de casa.

O recuperador de higrocelulose é o mais econômico e ideal para ventilação de edifícios residenciais.

Recuperador rotativo – alta eficiência do sistema

O trocador de calor é apresentado na forma de um cilindro preenchido com camadas de metal corrugado. À medida que a unidade do tambor gira, jatos de ar quente ou frio entram alternadamente em cada compartimento.

Projeto de um recuperador rotativo: eixo de rotação e dois canais de ar.Uma seção do rotor é aquecida por “trabalho”, o tambor gira e o calor é redirecionado para massas frias concentradas no canal adjacente (+)

A eficiência da transferência de calor é determinada pela velocidade de rotação do rotor; a eficiência operacional pode ser ajustada.

Argumentos para um recuperador rotativo:

• retorno de calor até 65-90%;
• eficiência consumo elétrico;
• reposição parcial de umidade – você pode passar sem um umidificador;
• período de retorno – até 4 anos.

Apesar de sua alta eficiência, o trocador de calor tipo tambor não se tornou líder entre instalações semelhantes.

Desvantagens do sistema de ventilação:

1. Adicionando ar poluído ao suprimento. As massas de exaustão e alimentação circulam alternadamente pelos microcanais, de modo que cerca de 3-8% do “trabalho” é devolvido. O tambor geralmente transmite o cheiro do ar que sai.
2. Complexidade do design. As partes rotativas do rotor requerem manutenção regular e substituição periódica. Elementos móveis produzem ruído e vibração durante a operação.
3. Preço Alto. O preço dos modelos rotativos é superior ao dos produtos de placa. Isto se deve ao uso de mecânica complexa no projeto do trocador de calor do tambor.
4. Tamanhos grandes. A instalação é realizada em uma espaçosa câmara de ventilação.

Devido ao seu volume, as unidades rotativas são utilizadas principalmente em empresas industriais.

Para minimizar a mistura dos fluxos de ar, os trocadores de calor rotativos são complementados com setores intermediários - aqui os microcanais são soprados com ar fresco, que flui de volta para o exaustor. A desvantagem do circuito é uma diminuição na eficiência (+)

Trocadores de Calor Acoplados – Modelo Glicol

Devido às suas características de projeto, uma unidade de recuperação com um refrigerante intermediário é frequentemente chamada de trocadores de calor acoplados ou unidade glaciar. Este é um dos sistemas de recuperação de calor mais flexíveis. Um trocador de calor corta o duto de alimentação e o segundo, o duto de exaustão.

O diagrama de tubulação contém: bomba de circulação, tanque de expansão, válvula de ar, controlador, sensor de temperatura, válvula de segurança, indicador de pressão (+)

Princípio da Operação. A composição de glicol circula entre os trocadores de calor. A temperatura do refrigerante aumenta devido ao fluxo de exaustão aquecido e então a energia térmica é transferida para o ar fresco. O sistema fechado elimina a mistura de massas de ar que se aproximam.

Características de operação de trocadores de calor com refrigerante:

• Eficiência – 45-55%;
• ajuste de eficiência por meio de bomba - a velocidade do movimento do anticongelante é selecionada;
• possibilidade de colocação de dutos de insuflação e exaustão remotamente entre si (até 800 m);
• o recuperador é instalado vertical ou horizontalmente;
• em geadas severas, a superfície do trocador de calor de exaustão congela e aparece gelo; o uso de anticongelante permite operar o recuperador sem recorrer ao descongelamento;
• período de retorno do sistema – até 2 anos;
• é permitida uma combinação de 1 exaustor e várias entradas ou vice-versa.

O volume de ar de exaustão e admissão deve ser aproximadamente igual. Tais recuperadores são normalmente utilizados se o afluente for tóxico ou fortemente poluído, quando a mistura de correntes é inaceitável.

Unidade de câmara – versatilidade de uso

Estruturalmente, o trocador de calor da câmara é uma caixa fechada, dividida internamente por um amortecedor móvel.A divisória de abertura determina o esquema de funcionamento do recuperador.

A saída passa por um canal e a entrada entra na segunda câmara. No trocador de calor, massas quentes aquecem as paredes do primeiro compartimento. Depois de um tempo, o amortecedor se move e o fluxo de ar muda de direção

Como resultado, o fluxo de entrada se move ao longo das paredes quentes do primeiro duto de ar e a “exaustão” aquece a superfície da segunda câmara. A certa altura, o septo volta e o ciclo se repete.

Vantagens de uma unidade de troca de calor de câmara:

• Eficiência – 80-90%;
• em conjunto com o isolamento térmico de alta qualidade, os custos de aquecimento são reduzidos ao mínimo;
• facilidade de instalação - será necessária ajuda especializada na escolha dos parâmetros da unidade de ventilação;
• manutenção dos níveis de umidade;
• o congelamento do sistema está excluído.

Um trocador de calor de câmara é uma excelente opção para regiões onde existe um desequilíbrio significativo entre as temperaturas interna e externa durante um longo período do ano.

As desvantagens da unidade de recuperação de calor incluem:

• a necessidade de manutenção regular dos elementos móveis;
• as correntes de ar contrárias se misturam parcialmente - odores e impurezas podem retornar ao edifício.

Para reduzir a mistura, o sistema está equipado com elemento de filtro. O ar fica mais limpo, mas a eficiência do recuperador diminui.

Tubos de calor – sistema fechado de troca de calor

O recuperador consiste em muitos tubos de cobre ou alumínio preenchidos com uma substância de fácil evaporação, como o freon. O princípio de funcionamento de um trocador de calor tubular é baseado em processos físicos - mudanças no estado de uma substância quando aquecida.

O tubo de calor é colocado verticalmente - a extremidade inferior do trocador de calor está no duto de exaustão e a extremidade superior está no duto de ar fornecido. Os fluxos de saída passam pela extremidade do tubo - o freon aquece, ferve e evapora (+)

O gás sobe e libera energia térmica para a entrada, após o que o freon se condensa e flui pelo recuperador. O ciclo térmico se repete em círculo.

Características técnicas e operacionais do trocador de calor tubular:

• eficiência do dispositivo – até 65%;
• operação silenciosa devido à ausência de elementos móveis;
• simplicidade de design e baixa manutenção;
• compacidade — pequenas dimensões e baixo peso;
• independência energética – o líquido refrigerante circula naturalmente;

Uma vantagem significativa é que os fluxos de ar de entrada e retorno não se misturam.

Fraquezas dos tubos de calor:

• alto nível de eficiência é alcançado em uma faixa estreita de temperatura - com superaquecimento repentino, todo o freon evapora e, com aquecimento insuficiente, a intensidade da vaporização diminui;
• baixa resistência dos tubos – mudança de formato ou despressurização reduz o desempenho do equipamento.

Os trocadores de calor tubulares são utilizados em construções privadas, edifícios administrativos e de escritórios e pequenas áreas industriais.

Métodos para organizar a ventilação recuperativa

A recuperação é organizada de uma das seguintes formas: centralizada e descentralizada. No primeiro caso, os fluxos de ventilação de toda a sala passam pelo trocador de calor, no segundo - de uma sala.

Complexo centralizado – unidade de tratamento de ar

Um sistema centralizado é instalado na fase de construção ou grande modernização do sistema de ventilação.

Uma unidade de alimentação e exaustão forçada (PVU) com recuperador embutido é selecionada. O principal critério de seleção é o desempenho geral do complexo com base em todo o volume de ar da estrutura (+)

Um PVU com recuperador garante troca de ar suficiente mesmo em casas com janelas vedadas. Ao mesmo tempo, os fluxos de ar são distribuídos uniformemente sem criar correntes de ar.

Complexo unidades de tratamento de ar tipo monobloco equipado com:

• fãs – fornecimento 24 horas por dia de ar limpo e emissão de jatos saturados de dióxido de carbono;
• aquecedores – pré-aquecimento da entrada;
• filtros – retém poeira e micropartículas;
• recuperador — podem ser utilizados diferentes tipos de instalações.

A funcionalidade de algumas PVUs é expandida com um temporizador de atraso, regulador de potência, sensores de nível de umidade, etc.

O corpo dos modelos monobloco é revestido com material absorvente de ruído, tornando o funcionamento do PVU muito silencioso. São possíveis versões verticais, horizontais e suspensas de unidades de ventilação

As PVUs monobloco recuperativas produzidas provaram-se bem: "Aberturas" (Ucrânia), Dantherm (Dinamarca), "Daikin" (Japão), "Dantex" (Inglaterra).

Unidades locais - uma adição ao sistema de ventilação existente

Para restabelecer a circulação das massas de ar no ambiente utilizado, são adequadas entradas de ar descentralizadas com recuperação de calor.

Eles cortam a fachada de um edifício ou são montados através de uma janela. Sua principal tarefa é melhorar fornecer ventilação em casa.

Os recuperadores locais são equipados com ventilador e trocador de calor a placas. A “manga” de entrada é isolada com material absorvente de som.A unidade de controle das unidades de ventilação compactas está localizada na parede interna

Características dos sistemas de ventilação descentralizados com recuperação:

• Eficiência – 60-96%;
• Produtividade baixa – os dispositivos são projetados para fornecer troca de ar em salas de até 20 a 35 m²;
• preço acessível e uma ampla seleção de unidades, desde válvulas de parede convencionais até modelos automatizados com sistema de filtragem de vários estágios e capacidade de ajuste de umidade;
• facilidade de instalação – não são necessários dutos de ar para o comissionamento, instalar válvula de parede você pode fazer isso sozinho.

Fabricantes populares de recuperadores locais: prana (Ucrânia), O.Erre (Itália), Nevasca (Alemanha), Aberturas (Ucrânia), Aerovital (Alemanha).

Critérios importantes para a escolha de uma entrada de parede: espessura admissível da parede, desempenho, eficiência do recuperador, diâmetro do canal de ar e temperatura do meio bombeado

Conclusões e vídeo útil sobre o tema

Comparação do funcionamento da ventilação natural e do sistema forçado com recuperação:

O princípio de funcionamento de um recuperador centralizado, cálculo de eficiência:

Projeto e procedimento operacional de um trocador de calor descentralizado usando a válvula de parede Prana como exemplo:

Cerca de 25-35% do calor sai da sala através do sistema de ventilação. Os recuperadores são usados ​​para reduzir perdas e recuperar calor de forma eficaz. O equipamento climático permite usar a energia das massas residuais para aquecer o ar que entra.

Tem algo a acrescentar ou tem dúvidas sobre o funcionamento dos diferentes recuperadores de ventilação? Deixe comentários na publicação e compartilhe sua experiência na operação de tais instalações. O formulário de contato está localizado no bloco inferior.