Ventilație cu aport și evacuare cu recuperare de căldură: principiul de funcționare, prezentare generală a avantajelor și dezavantajelor

Intrarea aerului proaspăt în perioada rece a anului duce la necesitatea încălzirii acestuia pentru a asigura un microclimat corect în încăperi. Pentru a minimiza costurile energiei electrice, poate fi utilizată ventilația de alimentare și evacuare cu recuperare de căldură.

Înțelegerea principiilor de funcționare a acesteia va permite reducerea cât mai eficientă a pierderilor de căldură, păstrând în același timp un volum suficient de aer de înlocuire. Să încercăm să înțelegem această problemă.

Economisirea energiei în sistemele de ventilație

În perioada toamnă-primăvară, în timpul ventilației încăperilor, o problemă serioasă este diferența mare de temperatură dintre aerul care intră și cel din interior. Fluxul rece se îndreaptă în jos și creează un microclimat nefavorabil în case, birouri și în producție sau un gradient vertical de temperatură inacceptabil în depozit.

O soluție comună a problemei este integrarea unui calorifer în ventilația de alimntare, prin care are loc încălzirea fluxului. Un astfel de sistem necesită consum de energe electrică, în timp ce un volume semnificativ de aer cald care iese afară duce la pierderi substanțiale de căldură.

Ieșirea aerului afară cu abur intens servește ca indicator al pierderilor semnificative de căldură, care poate fi folosită pentru încălzirea fluxului de intrare

Dacă canalele de admisie și de evacuar a aerului sunt situate una lângă alta, atunci se poate transfera parțial căldură fluzului de ieșire către cel de intrare. Acest lucru va permite reducrea consumului de energe electrică a caloriferului sau renunțarea completlă la acesta. Dispozitivul pentru asegurarea schimbului de călduă între fluxurile de gaze cu temperauri diferite se numește recuparator.

În perioada caldă a anului, când temperatura aerului exterior depășește semnificativ temperatura camerei, se poate utliza recuperatorul pentru răcirea fluxul de intrare.

Construcția blocului cu recuperator

Construcția interioară a sistemelor de ventilație de alimentare și evacuare cu recuperator integrat este destul de simplă, deci este posibilă achiziționarea și instalarea lor independentă pe elemente. În cazul în care asamblarea sau montarea independentă cauzează dificultăți, se pot achziționa soluții gata făcute sub forma de construcții monobloc tipice sau construcții individuale asamblate la comandă.

Schema tipică a unui sistem de ventilație de alimentare și evacuare cu un recuperator amplasat într-un singur corp poate fi completată cu alte componente la discreția utilizatorului

Elementele principale și parametrii lor

Carcasa cu izolație termică și fonică este de obicei fabricată din oțel tablă. În cazul montajului pe perete, aceasta trebuie să reziste la presiunea care apare la spumarea golurilor din jurul unității și, de asemenea, să prevină vibrațiile cauzate de funcționarea ventilatoarelor.

În cazul admisiei și alimentării distribuite a aerului în diferite încăperi, la carcasă se conectează un sistem de conducte de aer. Acesta este echipat cu supape și clapete pentru distribuirea fluxurilor.

În lipsa conductelor de aer, pe orificiul de alimentare din partea încăperii se instalează o grilă sau un difuzor pentru distribuirea fluxului de aer. Pe orificiul de alimentare din partea străzii se montează o grilă de admisie de tip exterior pentru a evita pătrunderea păsărilor, insectelor mari și a resturilor în sistemul de ventilație.

Mișcarea aerului este asigurată de două ventilatoare de tip axial sau centrifugal. În prezența unui recuperator, circulația naturală a aerului în volum suficient este imposibilă din cauza rezistenței aerodinamice create de acest subansamblu.

Prezența unui recuperator presupune instalarea de filtre fine la intrarea ambelor fluxuri. Acest lucru este necesar pentru a reduce intensitatea înfundării canalelor subțiri ale schimbătorului de căldură cu praf și depuneri de grăsime. În caz contrar, pentru funcționarea corectă a sistemului, va fi necesar să se crească frecvența lucrărilor de întreținere preventivă.

Filtrele fine trebuie schimbate sau curățate periodic. În caz contrar, rezistența crescută la fluxul de aer va cauza defectarea ventilatoarelor.

Unul sau mai multe recuperatoare ocupă volumul principal al dispozitivului de alimentare și evacuare. Ele sunt montate în centrul construcției.

În cazul înghețurilor puternice tipice pentru teritoriu și al eficienței insuficiente a recuperatorului pentru încălzirea aerului exterior, se poate instala suplimentar un calorifer. De asemenea, după necesitate, se montează un umidificator, ionizator și alte dispozitive pentru crearea unui microclimat favorabil în încăpere.

Modelele moderne prevăd prezența unui bloc electronic de comandă. Modificările complexe au funcții de programare a modurilor de funcționare în funcție de parametrii fizici ai mediului aerian. Panourile exterioare au un aspect atractiv, datorită căruia pot fi bine integrate în orice interior al încăperii.

Soluționarea problemei apariției condensului

Răcirea aerului care intră din încăpere creează premise pentru eliminarea umidității și formarea condensului. În cazul unei viteze mari a fluxului, o mare parte din acesta nu reușește să se acumuleze în recuperator și iese afară. La o mișcare lentă a aerului, o parte semnificativă a apei rămâne în interiorul dispozitivului. Prin urmare, este necesar să se asigure colectarea umidității și evacuarea acesteia în afara carcasei sistemului de ventilație de alimentare și evacuare.

Dispozitivul elementar pentru colectarea și evacuarea condensului este o tavă situată sub recuperator, cu o pantă spre orificiul de scurgere

Evacuarea umidității se face într-un recipient închis. Acesta se amplasează numai în interiorul încăperii pentru a evita înghețarea canalelor de evacuare la temperaturi negative. Nu există un algoritm fiabil pentru calcularea volumului de apă obținut la utilizarea sistemelor cu recuperator, de aceea acesta se determină experimental.

Reutilizarea condensului pentru umidificarea aerului nu este de dorit, deoarece apa absoarbe mulți poluanți, cum ar fi transpirația umană, mirosurile etc.

Se poate reduce semnificativ volumul condensului și se pot evita problemele asociate cu apariția acestuia prin organizarea unui sistem separat de evacuare din baie și bucătărie. Tocmai în aceste încăperi aerul are cea mai mare umiditate. În cazul existenței mai multor sisteme de evacuare, schimbul de aer între zona tehnică și cea rezidențială trebuie limitat prin instalarea de clapete de reținere.

În cazul răcirii fluxului de aer evacuat până la temperaturi negative, în interiorul recuperatorului are loc transformarea condensului în gheață, ceea ce determină reducerea secțiunii vii a fluxului și, în consecință, diminuarea volumului sau încetarea completă a ventilației.

Pentru dezghețarea periodică sau ocazională a recuperatorului se instalează un bypass – un canal de ocolire pentru deplasarea aerului de alimentare. La trecerea fluxului prin ocolirea dispozitivului, are loc întreruperea transferului de căldură, încălzirea schimbătorului de căldură și transformarea gheții în stare lichidă. Apa se scurge în recipientul de colectare a condensului sau se evaporă în exterior.

Principiul de construcție a bypass-ului este simplu, de aceea, în cazul riscului de formare a gheții, este oportun să se prevadă o astfel de soluție, deoarece încălzirea recuperatorului prin alte metode este dificilă și de durată.

La trecerea fluxului prin bypass, nu are loc încălzirea aerului de alimentare prin intermediul recuperatorului. Prin urmare, la activarea acestui regim, este necesară pornirea automată a caloriferului.

Particularitățile diferitelor tipuri de recuperatoare

Există mai multe variante structural diferite de realizare a schimbului de căldură între fluxurile de aer rece și încălzit. Fiecare dintre ele are propriile caracteristici distinctive, care determină scopul principal pentru fiecare tip de recuperator.

Recuperator cu plăci în contracurent

Construcția recuperatorului cu plăci se bazează pe panouri cu pereți subțiri, legate alternativ, în așa fel încât să alterneze trecerea între ele a fluxurilor cu temperaturi diferite la un unghi de 90 de grade. Una dintre modificările acestui model este dispozitivul cu canale cu aripioare pentru trecerea aerului. Acesta are un coeficient de transfer termic mai ridicat.

Trecerea alternativă a fluxului de aer cald și rece prin plăci este realizată prin îndoirea marginilor plăcilor și etanșarea îmbinărilor cu rășină poliesterică

Panourile de schimb termic pot fi fabricate din diferite materiale:

• cuprul, alama și aliajele pe bază de aluminiu au o conductivitate termică bună și nu sunt susceptibile la rugină;
• materialul plastic din polimer hidrofob cu coeficient ridicat de conductivitate termică are greutate redusă;
• celuloza higroscopică permite condensului să pătrundă prin placă și să revină în încăpere.

Un dezavantaj este posibilitatea formării condensului la temperaturi scăzute. Din cauza distanței mici dintre plăci, umiditatea sau gheața măresc semnificativ rezistența aerodinamică. În caz de înghețare, este necesară întreruperea fluxului de aer de intrare pentru a încălzi plăcile.

Avantajele recuperatoarelor cu plăci sunt următoarele:

• cost scăzut;
• durata lungă de viață;
• perioadă lungă între întrețineri și simplitatea efectuării acesteia;
• dimensiuni și greutate reduse.

Acest tip de recuperator este cel mai răspândit pentru spațiile rezidențiale și de birouri. De asemenea, este utilizat și în unele procese tehnologice, de exemplu pentru optimizarea arderii combustibilului în funcționarea cuptoarelor.

Tip tambur sau rotativ

Principiul de funcționare al recuperatorului rotativ se bazează pe rotirea schimbătorului de căldură, în interiorul căruia sunt dispuse straturi de metal ondulat cu capacitate termică ridicată. Ca urmare a interacțiunii cu fluxul de ieșire, sectorul tamburului se încălzește, care ulterior cedează căldură aerului care intră.

Schimbătorul de căldură cu ochiuri fine al recuperatorului rotativ este predispus la înfundare, de aceea trebuie acordată o atenție deosebită funcționării corecte a filtrelor de purificare fină.

Avantajele recuperatoarelor rotative sunt următoarele:

• eficiență destul de ridicată în comparație cu tipurile concurente;
• recuperarea unei cantități mari de umiditate, care sub formă de condens rămâne pe tambur și se evaporă la contactul cu aerul uscat care intră.

Acest tip de recuperator este mai rar folosit pentru clădirile rezidențiale cu ventilație pe apartamente sau pentru case. Adesea este utilizat în cazane mari pentru a returna căldura la cuptoare sau pentru spații extinse industriale sau comerciale/de divertisment.

Cu toate acestea, acest tip de dispozitive are dezavantaje semnificative:

• o construcție relativ complexă cu părți mobile, inclusiv un motor electric, un tambur și o transmisie prin curea, ceea ce necesită întreținere constantă;
• nivel crescut de zgomot.

Uneori pentru dispozitive de acest tip se întâlnește termenul “schimbător de căldură regenerativ”, ceea ce este mai corect decât “recuperator”. Problema este că o parte mică din aerul evacuat revine din cauza etanșării imperfecte a tamburului de corpul construcției.

Acest lucru impune restricții suplimentare privind posibilitatea de utilizare a dispozitivelor de acest tip. De exemplu, nu se poate folosi aer poluat de la cuptoarele de încălzire ca agent termic.

Sistem bazat pe tuburi și carcasă

Recuperatorul de tip tubular constă dintr-un sistem de tuburi cu pereți subțiri de diametru mic, amplasate într-o carcasă izolată, prin care are loc afluxul de aer exterior. Prin carcasă se realizează evacuarea masei de aer cald din încăpere, care încălzește fluxul de intrare.

Evacuarea aerului cald trebuie făcută prin carcasă, nu prin sistemul de tuburi, deoarece condensul nu poate fi îndepărtat din acestea

Principalele avantaje ale recuperatoarelor tubulare sunt următoarele:

• randament ridicat, datorită principiului contracurent al mișcării agentului termic și aerului de intrare;
• simplitatea construcției și absența părților mobile asigură un nivel scăzut de zgomot și necesitatea rară de întreținere;
• durata lungă de viață;
• cea mai mică secțiune dintre toate tipurile de dispozitive de recuperare.

Tuburile pentru acest tip de dispozitiv sunt realizate fie din metal ușor, fie, mai rar, din polimer. Aceste materiale nu sunt higroscopice, prin urmare, la o diferență semnificativă de temperatură a fluxurilor, se poate forma condens intens în carcasă, ceea ce necesită o soluție constructivă pentru eliminarea acestuia. Un alt dezavantaj este că umplutura metalică are o greutate semnificativă, în ciuda dimensiunilor reduse.

Simplitatea construcției recuperatorului tubular face ca acest tip de dispozitive să fie popular pentru fabricarea independentă. De obicei, se folosesc țevi de plastic pentru conducte de aer, izolate cu înveliș din spumă poliuretanică, ca carcasă exterioară.

Dispozitiv cu agent termic intermediar

Uneori, conductele de aer de alimentare și de evacuare sunt situate la o anumită distanță una de cealaltă. Această situație poate apărea din cauza particularităților tehnologice ale clădirii sau a cerințelor sanitare privind separarea fiabilă a fluxurilor de aer.

În acest caz se utilizează un agent termic intermediar, care circulă între canalele de aer printr-o conductă izolată. Ca mediu pentru transferul energiei termice se folosește apă sau un amestec de apă și glicol, a cărui circulație este asigurată de funcționarea pompei de căldură.

Recuperatorul cu agent termic intermediar este un dispozitiv voluminos și costisitor, a cărui utilizare este justificată economic pentru încăperi cu suprafețe mari.

În cazul în care există posibilitatea de a utiliza un alt tip de recuperator, este mai bine să nu se folosească un sistem cu agent termic intermediar, deoarece acesta prezintă următoarele dezavantaje semnificative:

• randament scăzut în comparație cu alte tipuri de dispozitive, motiv pentru care în încăperile mici cu debit redus de aer nu se utilizează astfel de dispozitive;
• volum și greutate semnificativă a întregului sistem;
• necesitatea unei pompe electrice suplimentare pentru circulația lichidului;
• zgomot sporit de la funcționarea pompei.

Există o modificare a acestui sistem în care, în locul circulației forțate a lichidului de schimb termic, se utilizează un mediu cu punct de fierbere scăzut, de exemplu freon. În acest caz, mișcarea în circuit este posibilă în mod natural, dar numai dacă conducta de aer de alimentare este amplasată deasupra celei de evacuare.

Un astfel de sistem nu necesită cheltuieli suplimentare de energie electrică, dar funcționează pentru încălzire doar la o diferență semnificativă de temperatură. În plus, este necesară o reglare precisă a punctului de schimbare a stării de agregare a lichidului de schimb termic, care poate fi realizată prin crearea presiunii necesare sau a unei compoziții chimice specifice.

Parametrii tehnici principali

Cunoscând debitul necesar al sistemului de ventilație și randamentul termic al recuperatorului, este ușor de calculat economiile la încălzirea aerului pentru încăpere în condiții climatice specifice. Comparând beneficiul potențial cu costurile de achiziție și întreținere ale sistemului, se poate face o alegere justificată în favoarea unui recuperator sau a unui calorifer standard.

Adesea, producătorii de echipamente oferă o gamă de modele în care unitățile de ventilație cu funcționalitate similară diferă prin volumul schimbului de aer. Pentru încăperile rezidențiale, acest parametru trebuie calculat conform tabelului 9.1. SP 54.13330.2016

Coeficientul de randament

Prin coeficientul de eficiență al recuperatorului se înțelege eficiența transferului de căldură, care se calculează cu următoarea formulă:

K = (T_p – T_n) / (T_v – T_n)

În care:

• T_p – temperatura aerului care intră în încăpere;
• T_n – temperatura aerului exterior;
• T_v – temperatura aerului din încăpere.

Valoarea maximă a randamentului la standard vitezei fluxului de aer și la un regim termic specificat este indicată în documentația tehnică a dispozitivului. Valoarea reală va fi puțin mai mică.

În cazul fabricării independente a unui recuperator cu plăci sau tubular, pentru atingerea eficienței maxime de transfer termic, trebuie respectate următoarele reguli:

• Cel mai bun schimb de căldură este asigurat de dispozitivele cu contracurent, apoi cele cu curgere încrucișată, iar cel mai mic – de cele cu mișcare unidirecțională a ambelor fluxuri.
• Intensitatea schimbului de căldură depinde de materialul și grosimea pereților care separă fluxurile, precum și de durata de staționare a aerului în interiorul dispozitivului.

Cunoscând randamentul recuperatorului, se poate calcula eficiența sa energetică la diferite temperaturi ale aerului exterior și interior:

E (W) = 0,36 × P × K × (T_v – T_n)

unde P (m³/h) – debitul de aer.

Calculul eficienței recuperatorului în echivalent monetar și compararea cu costurile de achiziție și montare pentru o vilă cu două etaje cu o suprafață totală de 270 m² arată oportunitatea instalării unui astfel de sistem.

Costul recuperatoarelor cu randament ridicat este destul de mare, acestea au o construcție complexă și dimensiuni semnificative. Uneori, aceste probleme pot fi evitate prin instalarea mai multor dispozitive mai simple, astfel încât aerul de intrare să treacă succesiv prin ele.

Performanța sistemului de ventilație

Volumul de aer trecut este determinat de presiunea statică, care depinde de puterea ventilatorului și de componentele principale care creează rezistență aerodinamică. De regulă, calculul său exact este imposibil din cauza complexității modelului matematic, prin urmare, pentru construcțiile monobloc standard se efectuează studii experimentale, iar pentru dispozitivele individuale se face selecția componentelor.

Puterea ventilatorului trebuie aleasă ținând cont de capacitatea de debit a recuperatoarelor instalate de orice tip, care în documentația tehnică este indicată ca viteză recomandată a fluxului sau volum de aer trecut de dispozitiv pe unitatea de timp. De regulă, viteza admisibilă a aerului în interiorul dispozitivului nu depășește valoarea de 2 m/s.

În caz contrar, la viteze mari, în elementele înguste ale recuperatorului are loc o creștere bruscă a rezistenței aerodinamice. Aceasta duce la costuri inutile de energie electrică, la o încălzire ineficientă a aerului exterior și la reducerea duratei de viață a ventilatoarelor.

Graficul dependenței pierderii de presiune de viteza fluxului de aer pentru mai multe modele de recuperatoare de înaltă performanță arată o creștere neliniară a rezistenței, prin urmare este necesar să respectați cerințele privind volumul recomandat de schimb de aer indicate în documentația tehnică a dispozitivului.

Schimbarea direcției fluxului de aer creează o rezistență aerodinamică suplimentară. Prin urmare, la modelarea geometriei conductei de aer din interiorul încăperii, este de dorit să minimizați numărul de coturi ale țevilor la 90 de grade. Difuzoarele pentru dispersarea aerului măresc, de asemenea, rezistența, de aceea este de dorit să nu utilizați elemente cu un model complex.

Filtrele și grătarele murdare creează obstacole semnificative în mișcarea fluxului, prin urmare este necesar să le curățați sau să le înlocuiți periodic. Una dintre metodele eficiente de evaluare a gradului de înfundare este instalarea de senzori care monitorizează căderea de presiune pe segmentele dinaintea filtrului și după acesta.

Concluzii și material video util pe această temă

Principiul de funcționare al recuperatorului rotativ și cu plăci:

Măsurarea randamentului recuperatorului de tip cu plăci:

Sistemele de ventilație casnice și industriale cu un recuperator integrat și-au demonstrat eficiența energetică în ceea ce privește conservarea căldurii în interiorul încăperilor. În prezent, există numeroase oferte de vânzare și instalare a unor astfel de dispozitive, atât sub formă de modele gata făcute și testate, cât și la comandă individuală. Puteți efectua calculul parametrilor necesari și realiza montajul chiar dumneavoastră.

Dacă în timpul consultării informațiilor au apărut întrebări sau ați găsit inexactități în materialul nostru, vă rugăm să lăsați comentariile dumneavoastră în blocul situat mai jos.