Recuperarea căldurii în sistemele de ventilare: principiul de funcționare și variante de execuție

În procesul de ventilare, din încăpere se elimină nu numai aerul uzat, ci și o parte din energia termică. Iarna, aceasta duce la creșterea facturilor pentru resurse energetice.

Reducerea cheltuielilor nejustificate, fără a compromite schimbul de aer, va fi permisă de recuperarea căldurii în sistemele de ventilație de tip centralizat și local. Pentru regenerarea energiei termice se folosesc diferite tipuri de schimbătoare de căldură – recuperatoare.

În articol sunt descrise în detaliu modelele agregatelor, caracteristicile lor constructive, principiile de funcționare, avantajele și dezavantajele. Informațiile prezentate vor ajuta la alegerea variantei optime pentru amenajarea sistemului de ventilație.

Noțiunea de recuperare: principiul de funcționare al schimbătorului de căldură

În traducere din latină, recuperarea înseamnă compensare sau primire inversă. În ceea ce privește reacțiile de schimb de căldură, recuperarea se caracterizează ca o returnare parțială a energiei cheltuite pentru efectuarea unei acțiuni tehnologice în scopul utilizării în același proces.

În sistemul de ventilație principiul de recuperare este utilizat pentru economisirea energiei termice.

Prin analogie, are loc recuperarea răcirii pe vreme caldă – masele calde de aer introdus încălzesc aerul evacuat și temperatura lor scade.

Procesul de recuperare a energiei are loc în schimbătorul de căldură recuperativ. Dispozitivul prevede prezența unui element de schimb termic și a ventilatoarelor pentru pomparea fluxurilor de aer în direcții opuse. Pentru controlul procesului și monitorizarea calității alimentării cu aer se utilizează un sistem de automatizare.

Construcția este proiectată astfel încât fluxurile de aer proaspăt și aspirat să se afle în compartimente separate și să nu se amestece – recuperarea căldurii se realizează prin pereții schimbătorului de căldură.

Pentru a înțelege și a concepe ce este ventilația cu recuperare, vă va ajuta o schemă vizuală a circulației aerului.

Prin hotele din încăperile umede (toaletă, baie, bucătărie) are loc evacuarea aerului uzat. Înainte de a fi eliminat în exterior, acesta trece prin recuperator și lasă o parte din căldură. Aerul furnizat se deplasează în direcția opusă, se încălzește și intră în camerele de locuit (+).

Oportunitatea recuperatorului în ventilație

Se poate vorbi despre oportunitatea amenajării ventilației cu recuperare evaluând eficiența sistemului și comparând avantajele sale cu dezavantajele.

Din aerul evacuat uzat se preia o parte din căldură și se transmite fluxurilor proaspete injectate, direcționate în interiorul încăperii. Acest lucru permite reducerea pierderilor de căldură cu până la 70% (+).

Necesitatea utilizării recuperării căldurii est cea mai relevantă în clădirile cu evacuare forțtă a erului. De regulă, acestea sunt construcții cu inerție scăzută, ridicte folosind tehnologii inovatoare de izolare termcă (cse din panouri sandwich, plăci de silicat gazos, blocuri de spumă).

În astfel de construcții, pereții acumulează prost căldura, iar schimbul natural de aer este ineficient.

Cu toate acestea, problemele de circulație a aerului sunt caracteristice și clădirilor «tradiționale» din cărămidă și beton. Prezența ferestrelor PVC etanșe, termo-fonoizolante blochează circulația naturală – fluxul de aer proaspăt se oprește, iar tirajul în canalul de ventilație se inversează sau tinde spre zero.

Soluția problemei «ferestrelor europene» – organizarea ventilației forțate. Sistemul restabilește schimbul de aer, dar pierderile de căldură cresc până la 60%. Și aici nu se poate face fără recuperarea termică.

Eficiența procesului de schimb se exprimă în procente și arată cantitatea de căldură preluată din aerul evacuat pentru încălzirea aerului proaspăt «de admisie».

Indicatorul de eficiență al recuperării de căldură prin ventilație:

• 0% – fereastră deschisă – aerul cald este eliminat în atmosferă, iar cel rece pătrunde în interior, scăzând temperatura în încăpere;
• 100% – aerul de admisie se încălzește până la temperatura aerului evacuat – imposibil de realizat tehnic;
• 30-90% – parametru acceptabil, o recuperare cu eficiență de 60% și peste este considerată bună, o eficiență peste 80% – schimb termic excelent.

Eficiența sistemului depinde de tipul recuperatorului, dimensiunile încăperii și debitul de aer. În orice caz, utilizarea ventilației cu recuperare chiar și cu o eficiență de 30% este mai avantajoasă decât absența acesteia. Pe lângă economii semnificative la resursele energetice, «regenerarea» căldurii îmbunătățește microclimatul general al încăperii.

Dezavantajele utilizării schimbătorului de căldură:

1. Dependență energetică. Achiziționarea echipamentelor climatice este justificată dacă consumul de energie electrică va fi semnificativ mai mic decât economiile realizate după instalarea recuperatorului.
2. Condensare. Din cauza diferenței de temperatură pe pereții schimbătorului de căldură, se poate condensa umiditatea. Iarna există riscul de înghețare, ceea ce poate duce la o scădere rapidă a eficienței sau la defectarea recuperatorului.
3. Funcționare zgomotoasă. Unele modele emit un zumzet în timpul funcționării. Dacă ziua acest dezavantaj nu este prea sesizabil, noaptea zgomotul provoacă disconfort. Recuperatoarele cu izolație îmbunătățită funcționează silențios.

Investițiile inițiale ridicate devin adesea principalul argument împotriva ventilației eficiente energetic.

Este oportun să investești în acel sistem care se va amortiza în 5-8 ani. Trebuie avut în vedere că pentru întreținerea complexului vor fi necesare cheltuieli suplimentare, de exemplu, înlocuirea periodică a ventilatoarelor.

Caracteristicile diferitelor tipuri de schimbătoare de căldură

Construcția recuperatorului determină schema de mișcare a agentului termic, eficiența sistemului de ventilație, clasa de consum energetic și costul echipamentului. Se aplică cinci variante de schimbătoare de căldură: cu plăci, rotativ, tuburi termice, dispozitive cu cameră și modele cu agent termic intermediar.

Recuperatorul cu plăci – simplitatea construcției

Baza schimbătorului de căldură este o cameră etanșă cu numeroase conducte de aer paralele. Canalele sunt separate de pereți despărțitori – plăci termoconductoare, fabricate din oțel sau aluminiu.

Plăcile ondulate (60-70 de bucăți) sunt grupate într-un singur bloc astfel încât canalele formate să fie dispuse încrucișat unele față de altele – turbulența creată îmbunătățește schimbul de căldură (+)

Fluxurile de gaze se deplasează unul spre celălalt, se intersectează în caseta recuperatorului, dar nu se amestecă. Schimbul termic are loc prin răcirea și încălzirea simultană a plăcuțelor din părți diferite.

Avantajele schimbătorului de căldură încrucișat:

• simplitatea montajului și reglajului echipamentului;
• excluderea contactului maselor de aer;
• cost accesibil și dimensiuni compacte;
• absența pieselor de frecare și mobile.

Indicatorul de eficiență variază în intervalul 40-70%.

Principalul dezavantaj al modelului cu plăci – depunerea condensului în canalul de evacuare și formarea de gheață iarna. Pentru dezghețarea agregatului, jetul de intrare este redirecționat ocolind schimbătorul de căldură, iar fluxul cald de ieșire topește gheața de pe plăci.

În modul «dezghețare» nu are loc economisirea energiei, pentru încălzirea aerului intrat se folosesc calorifere cu putere de până la 5 kW. Valoarea medie a randamentului scade cu 20% (+)

Sunt posibile două căi de rezolvare a problemei:

1. Preîncălzirea fluxului de aer intrat până la o temperatură la care formarea gheții este exclusă.
2. Recuperator cu plăci din celuloză higroscopică. Materialul absoarbe umezeala din masele de aer evacuate și o transmite fluxurilor nou intrate.

La alegerea schimbătorului de căldură încrucișat trebuie luate în considerare caracteristicile de exploatare ale plăcilor.

Caracteristicile lor depind de materialul de fabricație:

1. Folie de aluminiu – cost accesibil, dar performanță limitată iarna. În plus, nu este recomandată pentru spațiile locative din cauza uscării aerului. Modificările cu „umplutură” de aluminiu – varianta optimă pentru băi și piscine.
2. Pereți despărțitori din plastic – ca preț similare cu produsele metalice, dar se remarcă prin eficiență îmbunătățită de funcționare.
3. Schimbător de căldură din celuloză – împiedică înghețarea și menține un conținut normal de umiditate în interiorul încăperii.

Recuperatorul higrocelulozic este cel mai economic și optim pentru ventilarea construcțiilor locative.

Recuperatorul rotativ – eficiența ridicată a sistemului

Schimbătorul de căldură este reprezentat sub formă de cilindru, umplut cu straturi de metal ondulat. Pe măsură ce tamburul se rotește, în fiecare compartiment intră alternativ fluxuri de aer cald sau rece.

Construcția recuperatorului rotativ: arborele de rotație și două canale de aer. O secțiune a rotorului este încălzită de „aerul evacuat”, tamburul se rotește și căldura este redirecționată către masele reci concentrate în canalul vecin (+).

Randamentul schimbului de căldură este determinat de viteza de rotație a rotorului, eficiența funcționării poate fi reglată.

Argumente „pentru” recuperatorul rotativ:

• recuperarea căldurii de până la 65-90%;
• economia consumului de energie electrică;
• recuperarea parțială a umidității – se poate renunța la umidificator;
• perioada de recuperare – până la 4 ani.

În ciuda eficienței ridicate, schimbătorul de căldură de tip tambur nu a devenit lider printre instalațiile similare.

Dezavantajele sistemului de ventilație:

1. Amestecul aerului poluat în aerul de alimentare. Prin microcanale circulă alternativ masele de aer extras și de alimentare, astfel că aproximativ 3-8% din „aerul evacuat” se întoarce. Tamburul transmite adesea mirosul aerului de ieșire.
2. Complexitatea construcției. Părțile rotative ale rotorului necesită întreținere regulată și înlocuire periodică. Elementele mobile emit zgomot și vibrații în timpul funcționării.
3. Costul ridicat. Prețul modelelor rotative este mai mare decât cel al produselor cu plăci. Acest lucru se datorează utilizării unei mecanici complexe în construcția schimbătorului de căldură tip tambur.
4. Dimensiuni mari. Montarea se efectuează într-o cameră de ventilație spațioasă.

Din cauza volumului mare, instalațiile rotative sunt utilizate în principal în întreprinderi industriale.

Pentru a minimiza amestecarea fluxurilor de aer, recuperatoarele rotative sunt completate cu sectoare intermediare – aici microcanalele sunt suflate cu aer proaspăt, care reintră în aerul extras. Dezavantajul schemei – scăderea randamentului (+).

Schimbătoarele de căldură conectate – modelul cu glicol

Instalația de recuperare cu agent termic intermediar, datorită caracteristicilor constructive, este adesea numită schimbătoare de căldură cuplate sau agregat glicolic. Este unul dintre cele mai flexibile sisteme de recuperare a căldurii. Un schimbător de căldură este instalat în canalul de alimentare, iar celălalt – în cel de evacuare.

În schema de legare sunt prezente: pompă de circulație, vas de expansiune, clapetă de aer, controler, senzor de temperatură, supapă de siguranță, indicator de presiune (+).

Principiul de funcționare. Compoziția glicolică circulă între schimbătoarele de căldură. Temperatura agentului termic crește datorită fluxului evacuat încălzit, iar apoi energia termică este transferată aerului proaspăt. Sistemul închis exclude amestecarea maselor de aer opuse.

Caracteristici de funcționare ale schimbătoarelor de căldură cu agent termic:

• Randament – 45-55%;
• reglarea randamentului cu ajutorul pompei – se selectează viteza de circulație a antigelului;
• posibilitatea de amplasare a conductelor de aer de alimentare și evacuare la distanță una de cealaltă (până la 800 m);
• montajul recuperatorului se realizează vertical sau orizontal;
• în îngheț puternic, suprafața schimbătorului de căldură de evacuare îngheață – apare gheață; utilizarea antigelului permite exploatarea recuperatorului fără a recurge la dezghețare;
• perioada de recuperare a investiției sistemului – până la 2 ani;
• este permisă o combinație de 1 evacuare și mai multe alimentări sau invers.

Volumul aerului evacuat și al celui introdus trebuie să fie aproximativ egal. Astfel de recuperatoare sunt de obicei utilizate dacă aerul introdus este toxic sau puternic poluat, când amestecarea fluxurilor este inacceptabilă.

Ansamblul cameral – universalitatea aplicării

Structural, schimbătorul de căldură cameral este o cutie închisă, împărțită în interior de o clapetă mobilă. Peretele despărțitor care se deschide determină schema de funcționare a recuperatorului.

Fluxul de evacuare trece de-a lungul unui canal, iar aerul introdus intră în a doua cameră. În schimbătorul de căldură, masele calde încălzesc pereții primului compartiment. După un timp, clapeta se deplasează și fluxul de aer își schimbă direcția.

Ca rezultat, aerul introdus se deplasează de-a lungul pereților calzi ai primului canal de aer, iar 'aerul evacuat' încălzește suprafața celei de-a doua camere. La un moment dat, peretele despărțitor revine și ciclul se repetă.

Avantajele ansamblului cameral de schimb de căldură:

• Randament – 80-90%;
• în tandem cu o izolație termică de calitate, costurile de încălzire sunt reduse la minimum;
• ușurința montajului – ajutorul specialiștilor va fi necesar la selectarea parametrilor unității de ventilație;
• menținerea nivelului de umiditate;
• înghețarea sistemului este exclusă.

Recuperatorul cameral este o opțiune excelentă pentru regiunile în care, pe parcursul anului, există o perioadă lungă de dezechilibru semnificativ între temperatura din interior și cea de afară.

Printre dezavantajele ansamblului de regenerare a căldurii se numără:

• necesitatea întreținerii regulate a elementelor mobile;
• curenții de aer opuși se amestecă parțial – mirosurile și impuritățile pot reveni în clădire.

Pentru a reduce amestecul, sistemul este echipat cu un element de filtrare. Aerul devine mai curat, dar eficiența recuperatorului scade.

Tuburile termice – sistem închis de schimb de căldură

Recuperatorul constă din numeroase tuburi de cupru sau aluminiu, umplute cu o substanță ușor evaporabilă, de exemplu freon. Principiul de funcționare al schimbătorului tubular de căldură se bazează pe procese fizice – schimbarea stării de agregare a substanței la încălzire.

Termotubul se plasează vertical – capătul inferior al schimbătorului de căldură în canalul de evacuare, iar cel superior în conducta de aer proaspăt. Fluxurile de ieșire înconjoară capătul tubului – freonul se încălzește, fierbe și se evaporă (+)

Gazul se ridică și cedează energie termică aerului proaspăt, după care freonul se condensează și curge în josul recuperatorului. Ciclul termic se repetă în cerc.

Caracteristici tehnico-operative ale schimbătorului de căldură tubular:

• eficiența dispozitivului – până la 65%;
• funcționare silențioasă datorită absenței elementelor mobile;
• simplitatea construcției și ușurința întreținerii;
• compacitate – dimensiuni reduse și greutate mică;
• independență energetică – agentul termic circulă natural;

Un avantaj important constă în faptul că fluxurile de aer de admisie și de evacuare nu se amestecă.

Punctele slabe ale tuburilor termice:

• nivel ridicat de eficiență se atinge într-un interval de temperatură îngust – la o supraîncălzire bruscă, tot freonul se evaporă, iar la o încălzire insuficientă, intensitatea vaporizării încetinește;
• rezistență scăzută a tuburilor – deformarea sau depresurizarea reduce funcționalitatea echipamentului.

Recuperatoarele tubulare se utilizează în construcții private, în clădiri administrative, de birouri și în spații industriale mici.

Modalități de organizare a ventilației recuperative

Recuperarea se amenajează într-unul din moduri: centralizat și descentralizat. În primul caz, prin schimbătorul de căldură trec fluxurile de ventilație din întreaga încăpere, iar în al doilea – dintr-o singură cameră.

Complexul centralizat – instalație de alimentare și evacuare

Sistemul centralizat se amenajează în faza de construcție sau de modernizare capitală a sistemului de ventilație.

Se alege o instalație forțată de aer proaspăt și evacuare (PVA) cu un recuperator încorporat. Criteriul principal de selecție – performanța totală a complexului calculată pentru întregul volum de aer din construcție (+)

PVA cu recuperator asigură un schimb de aer suficient chiar și în casele cu ferestre ermetice. În același timp, fluxurile de aer se distribuie uniform, fără a crea curenți de aer.

Instalațiile complexe de aer proaspăt și evacuare de tip monobloc sunt echipate cu:

• ventilatoare – alimentare non-stop cu aer curat și evacuare a jeturilor saturate cu dioxid de carbon;
• încălzitoare – preîncălzirea aerului proaspăt;
• filtre – rețin praful și microparticulele;
• recuperator – pot fi utilizate diferite tipuri de instalații.

Funcționalitatea unor PVA este extinsă cu un timer de întârziere, regulator de putere, senzori de umiditate etc.

Carcasa modelelor monobloc este acoperită cu material fonoabsorbant, datorită căruia funcționarea unității de ventilație devine foarte silențioasă. Sunt posibile variante de execuție verticală, orizontală și suspendată a unităților de ventilație.

Unitățile de ventilație cu recuperare monobloc produse de: «Vents» (Ucraina), Dantherm (Danemarca), «Daikin» (Japonia), «Dantex» (Anglia) s-au dovedit a fi foarte bune.

Agregatele locale – completare la sistemul de ventilație existent

Pentru restabilirea circulației maselor de aer într-o încăpere exploatată, sunt potrivite ventilatoarele de intrare descentralizate cu recuperare de căldură.

Ele se încasează în fațada clădirii sau se montează prin fereastră. Sarcina lor principală – îmbunătățirea ventilației de aer proaspăt în casă.

În recuperatoarele locale sunt prevăzute un ventilator și un schimbător de căldură cu plăci. «Mâneca» ventilatorului de admisie este izolată cu material fonoabsorbant. Unitatea de comandă a unităților compacte de ventilație este amplasată pe peretele interior.

Particularități ale sistemelor de ventilație descentralizate cu recuperare:

• Randament – 60-96%;
• performanță redusă – dispozitivele sunt proiectate pentru asigurarea schimbului de aer în încăperi de până la 20-35 mp;
• cost accesibil și o gamă largă de agregate, de la supape de perete obișnuite până la modele automatizate cu sistem de filtrare în mai multe trepte și posibilitatea de reglare a umidității;
• ușurință de instalare – pentru punerea în funcțiune nu este necesară trasarea conductelor de aer, instalarea supapei de perete se poate face independent.

Producători populari de recuperatoare locale: Prana (Ucraina), O.Erre (Italia), Blizzard (Germania), Vents (Ucraina), Aerovital (Germania).

Criterii importante de alegere a aerisitorului de perete: grosimea admisibilă a peretelui, performanța, randamentul recuperatorului, diametrul canalului de aer și temperatura mediului pompat.

Concluzii și material video util pe această temă

Compararea funcționării ventilației naturale și a sistemului forțat cu recuperare:

Principiul de funcționare a unui recuperator centralizat, calculul randamentului:

Structura și modul de funcționare al unui schimbător de căldură descentralizat pe exemplul supapei de perete Prana:

Prin sistemul de ventilație, din încăpere se pierde aproximativ 25-35% din căldură. Pentru reducerea pierderilor și utilizarea eficientă a căldurii, se folosesc recuperatoare. Echipamentul climatic permite valorificarea energiei maselor uzate pentru încălzirea aerului care intră.

Aveți ceva de adăugat sau aveți întrebări despre funcționarea diferitelor recuperatoare de ventilație? Lăsați, vă rugăm, comentarii la publicație, împărtășiți experiența de exploatare a unor astfel de instalații. Formularul de contact se află în blocul de jos.