Ventilação de suprimento e exaustão com recuperação de calor: princípio de operação, uma visão geral das vantagens e desvantagens

A entrada de ar fresco no período frio leva à necessidade de aquecimento para garantir o clima interno correto. Para minimizar o custo da eletricidade, pode-se usar ventilação de suprimento e exaustão com recuperação de calor.

A compreensão dos princípios de sua operação permitirá a redução mais eficiente da perda de calor, mantendo um volume suficiente de ar substituído. Vamos tentar descobrir isso.

Economia de energia em sistemas de ventilação

No período outono-primavera, quando a ventilação é um grande problema, é a grande diferença de temperatura entre o ar que entra e o que entra. A corrente de frio escorre e cria um microclima desfavorável em residências, escritórios e locais de trabalho ou um gradiente de temperatura vertical inaceitável no armazém.

Uma solução comum para o problema é a integração na ventilação de suprimento aquecedor de arpelo qual o fluxo é aquecido. Esse sistema requer consumo de energia, enquanto uma quantidade significativa de ar quente de saída leva a uma perda significativa de calor.

Sair para o exterior com vapor intenso serve como um indicador de significativa perda de calor, que pode ser usada para aquecer o fluxo de entrada

Se os canais de suprimento de ar e de exaustão estiverem localizados nas proximidades, é possível transferir parcialmente o calor do fluxo de saída para a entrada. Isso reduzirá o consumo de energia do aquecedor ou o abandonará completamente. Um dispositivo para fornecer troca de calor entre diferentes fluxos de gás de temperatura é chamado de recuperador.

Na estação quente, quando a temperatura externa é muito superior à temperatura ambiente, um recuperador pode ser usado para resfriar o fluxo de entrada.

Unidade com recuperador

A estrutura interna do sistema de ventilação com recuperador integrado simples o suficiente, portanto, sua compra e instalação independentes por elementos são possíveis. No caso de a montagem ou auto-montagem ser difícil, você pode adquirir soluções prontas sob a forma de monoblocos típicos ou estruturas pré-fabricadas individuais sob pedido.

Um design típico de um dispositivo de sistema de ventilação de suprimento e exaustão com um recuperador localizado em um único compartimento pode ser complementado por outros nós, a critério do usuário

Os principais elementos e seus parâmetros

O gabinete com isolamento térmico e acústico é geralmente feito de chapa de aço. No caso de montagem na parede, ele deve suportar a pressão que ocorre ao formar slots de espuma ao redor da unidade e também evitar vibrações dos ventiladores.

No caso de uma entrada e fluxo de ar distribuídos em várias salas, eles são conectados à caixa sistema de dutos. É equipado com válvulas e amortecedores para distribuição de vazão.

Na ausência de dutos de ar, uma grade ou difusor é instalado na saída de ar de alimentação da lateral da sala para distribuir o fluxo de ar. Uma grade de entrada de ar externa é montada na entrada da rua para impedir que pássaros, grandes insetos e lixo entrem no sistema de ventilação.

O movimento do ar é fornecido por dois ventiladores axiais ou centrífugos. Na presença de um recuperador, a circulação natural de ar em volume suficiente é impossível devido ao arrasto aerodinâmico criado por esta unidade.

A presença de um recuperador envolve a instalação de filtros finos na entrada de ambos os fluxos. Isso é necessário para reduzir o entupimento de poeira e depósitos de gordura nos canais finos do trocador de calor. Caso contrário, para o pleno funcionamento do sistema, será necessário aumentar a frequência da manutenção preventiva.

Os filtros finos devem ser trocados ou limpos periodicamente. Caso contrário, o aumento da resistência ao fluxo de ar fará com que os ventiladores quebrem.

Um ou mais recuperadores ocupam a maior parte do dispositivo de suprimento e exaustão. Eles são montados no centro da estrutura.

No caso de geadas severas típicas para o território e eficiência insuficiente do trocador de calor para aquecer o ar externo, um aquecedor de ar pode ser instalado adicionalmente. Além disso, se necessário, um umidificador, um ionizador e outros dispositivos são montados para criar um microclima favorável na sala.

Os modelos modernos incluem uma unidade de controle eletrônico. Modificações sofisticadas têm funções para programar modos de operação, dependendo dos parâmetros físicos do ar. Os painéis externos têm uma aparência atraente, devido à qual podem ser bem integrados em qualquer interior da sala.

Resolvendo o problema de condensação

O resfriamento do ar proveniente da sala cria os pré-requisitos para a descarga de umidade e a formação de condensado. No caso de uma vazão alta, a maior parte não tem tempo para se acumular no recuperador e sai para fora. Com o movimento lento do ar, uma parte significativa da água permanece dentro do dispositivo. Portanto, é necessário garantir a coleta de umidade e sua remoção fora do alojamento sistema de abastecimento e exaustão.

Um dispositivo básico para a coleta e remoção de condensado é uma panela localizada sob o recuperador com uma inclinação em direção ao orifício de drenagem

A conclusão da umidade é produzida em um recipiente fechado. Ele é colocado apenas em ambiente interno para evitar o congelamento dos canais de saída em temperaturas abaixo de zero.Não existe um algoritmo confiável para calcular o volume de água obtido ao usar sistemas com um recuperador, portanto é determinado experimentalmente.

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

Reduza significativamente a quantidade de condensado e evite os problemas associados à sua aparência, organizando um sistema de exaustão separado do banheiro e da cozinha. É nessas salas que o ar tem a maior umidade. Se houver vários sistemas de exaustão, a troca de ar entre as áreas técnica e residencial deve ser limitada pela instalação de válvulas de retenção.

No caso de resfriamento do fluxo de ar de saída para temperaturas negativas dentro do recuperador, a condensação transita para o gelo, o que causa uma redução na seção transversal viva do fluxo e, como resultado, uma diminuição no volume ou interrupção total da ventilação.

Para degelo periódico ou único do recuperador, um desvio é instalado - um canal de desvio para o movimento do ar de suprimento. Quando o fluxo passa ignorando o dispositivo, a transferência de calor para, o trocador de calor esquenta e o gelo se torna líquido. A água flui para o tanque de coleta de condensado ou evapora para fora.

O princípio do dispositivo de derivação é simples; portanto, se houver risco de formação de gelo, é aconselhável fornecer essa solução, pois a recuperação de calor do trocador de calor de outras maneiras é complicada e longa.

Quando o fluxo passa pelo desvio, não há aquecimento do ar fornecido pelo recuperador. Portanto, quando este modo é ativado, é necessário ligar o aerotermo automaticamente.

Recursos de vários tipos de recuperadores

Existem várias opções estruturalmente diferentes para a implementação da transferência de calor entre os fluxos de ar frio e aquecido. Cada um deles possui características próprias que determinam o objetivo principal de cada tipo de recuperador.

Trocador de calor de placas com fluxo cruzado

O projeto do trocador de calor de placas é baseado em painéis de paredes finas, alternadamente conectados de maneira a alternar a passagem entre eles de diferentes fluxos de temperatura 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 alternativa do fluxo de ar quente e frio através das placas é realizada dobrando as bordas das placas e compostos de vedação com uma resina de poliéster

Os painéis de transferência 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;
• um plástico feito de um material hidrofóbico de polímero com um alto coeficiente de condutividade térmica é leve;
• a celulose absorvente permite que o condensado penetre na placa e retorne à sala.

A desvantagem é a possibilidade de condensação a 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 desligar o fluxo de ar recebido para aquecer as placas.

As vantagens dos recuperadores de placas são as seguintes:

• baixo custo;
• longa vida útil;
• um longo período entre a manutenção preventiva e sua simplicidade;
• pequenas dimensões e peso.

Este tipo de recuperador é mais comum em instalações residenciais e comerciais. Também é usado em alguns processos tecnológicos, por exemplo, para otimizar a combustão de combustível durante a operação dos fornos.

Tambor ou tipo rotativo

O princípio de operação de um trocador de calor rotativo é baseado na rotação do trocador de calor, dentro do qual são camadas de metal corrugado com alta capacidade de aquecimento.Como resultado da interação com o efluente, o setor de tambores é aquecido, o que subsequentemente libera calor para o ar que entra.

O trocador de calor de malha fina do trocador de calor rotativo é propenso a entupimentos; portanto, é especialmente importante prestar atenção ao trabalho de qualidade dos filtros finos

As vantagens dos recuperadores rotativos são as seguintes:

• eficiência bastante alta em comparação com os tipos concorrentes;
• o retorno de uma grande quantidade de umidade, que sob a forma de condensado permanece no tambor e evapora ao entrar em contato com o ar seco recebido.

Este tipo de recuperador é menos comumente usado para edifícios residenciais com ventilação de apartamento ou casa de campo. Muitas vezes, é usado em grandes salas de caldeiras para devolver o calor aos fornos ou para grandes instalações industriais ou de varejo.

No entanto, esse tipo de dispositivo tem desvantagens significativas:

• uma estrutura relativamente complexa com partes móveis, incluindo um motor elétrico, um tambor e um acionamento por correia, o que requer manutenção constante;
• aumento do nível de ruído.

Às vezes, para dispositivos desse tipo, o termo "trocador de calor regenerativo" pode ser encontrado, mais correto que um "recuperador". O fato é que uma pequena parte do ar de exaustão flui de volta devido ao ajuste frouxo do tambor no corpo da estrutura.

Isso impõe restrições adicionais à possibilidade de usar dispositivos desse tipo. Por exemplo, o ar contaminado de fogões de aquecimento não pode ser usado como transportador de calor.

Tubo e sistema de revestimento

O recuperador de tipo tubular consiste em tubos de paredes finas de pequeno diâmetro localizados na carcaça isolada do sistema, através da qual o ar externo flui. Na caixa, produz uma saída de massa de ar quente da sala, que aquece o fluxo de entrada.

A saída de ar quente deve ser realizada precisamente através do invólucro, e não através de um sistema de tubos, pois é impossível remover o condensado deles

As principais vantagens dos recuperadores tubulares são as seguintes:

• alta eficiência, graças ao princípio de contracorrente do movimento do líquido de refrigeração e do ar que entra;
• a simplicidade do design e a ausência de peças móveis proporcionam um baixo nível de ruído e raramente surgem necessidades de manutenção;
• longa vida útil;
• menor seção transversal entre todos os tipos de dispositivos de recuperação.

Os tubos para dispositivos desse tipo usam metal de liga leve ou, menos comumente, polímero. Esses materiais não são higroscópicos, portanto, com uma diferença significativa na temperatura dos fluxos, é possível a formação de condensado intenso no revestimento, o que requer uma solução construtiva para sua remoção. Outra desvantagem é que o enchimento de metal tem um peso considerável, apesar de suas pequenas dimensões.

A simplicidade do design do recuperador tubular torna esse tipo de dispositivo popular para a fabricação própria. Como revestimento externo, geralmente são usados ​​tubos de plástico para dutos de ar, isolados com invólucros de poliuretano.

Dispositivo intermediário de transferência de calor

Às vezes, os dutos de suprimento 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.

Nesse caso, use um líquido de arrefecimento intermediário que circula entre os dutos através de um tubo isolado. Como meio de transferência de energia térmica usando água ou uma solução de água-glicol, cuja circulação é fornecida por bomba de calor.

O recuperador com refrigerante intermediário é um dispositivo volumétrico e caro, cuja utilização é economicamente justificada para salas com grandes áreas

No caso de ser possível usar um tipo diferente de recuperador, é melhor não usar um sistema com um líquido de refrigeração intermediário, pois possui as seguintes desvantagens significativas:

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

Há uma modificação desse sistema quando, em vez da circulação forçada do fluido de troca de calor, um meio com baixo ponto de ebulição, como o freon, é usado. Nesse caso, o movimento ao longo do circuito é possível de maneira natural, mas somente se o duto de ar de suprimento estiver localizado acima do duto de exaustão.

Esse sistema não requer custos adicionais de energia, mas funciona apenas para aquecimento a uma diferença significativa de temperatura. Além disso, é necessário ajustar o ponto de mudança no estado de agregação do fluido de transferência de calor, que pode ser implementado criando a pressão desejada ou uma composição química específica.

Parâmetros técnicos principais

Conhecendo o desempenho exigido do sistema de ventilação e a eficiência da troca de calor do trocador de calor, é fácil calcular as economias no aquecimento do ar de uma sala em condições climáticas específicas. Ao comparar os benefícios potenciais com o custo de compra e manutenção do sistema, você pode razoavelmente fazer uma escolha em favor de um recuperador ou um aerotermo padrão.

Freqüentemente, os fabricantes de equipamentos oferecem uma linha de modelo na qual as unidades de ventilação com funcionalidade semelhante diferem na quantidade de troca de ar. Para instalações residenciais, este parâmetro deve ser calculado de acordo com a tabela 9.1. SP 54.13330.2016

Coeficiente de desempenho

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

K = (T_n - T_n) / (T_em - T_n)

Em que:

• T_n - temperatura do ar que entra na sala;
• T_n - temperatura externa;
• T_em - temperatura do ar na sala.

O valor máximo de eficiência com o padrão taxas de fluxo de ar e um certo regime de temperatura indicado na documentação técnica do dispositivo. Sua taxa real será um pouco menor.

No caso de fabricação independente de uma placa ou trocador de calor tubular, para obter a máxima eficiência na transferência de calor, é necessário seguir as seguintes regras:

• A melhor troca de calor é garantida por dispositivos de contracorrente, depois dispositivos de fluxo cruzado e o menor - com o movimento unidirecional de ambos os fluxos.
• A taxa de 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 várias temperaturas do ar externo e interno:

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

onde P (m³/ hora) - consumo de ar.

O cálculo da eficiência do recuperador em termos monetários e a comparação com os custos de sua compra e instalação para uma casa de dois andares com uma área total de 270 m2 mostra a viabilidade da instalação desse sistema

O custo dos recuperadores com alta eficiência é bastante alto, eles têm uma estrutura complexa e tamanho considerável. Às vezes, você pode solucionar esses problemas instalando vários dispositivos mais simples, de modo que o ar que entra passe por eles sequencialmente.

Desempenho do sistema de ventilação

O volume do fluxo de ar é determinado pela pressão estática, que depende da potência do ventilador e dos principais componentes que criam resistência aerodinâmica.Como regra, seu cálculo exato é impossível devido à complexidade do modelo matemático; portanto, estudos experimentais são realizados para projetos típicos de monoblocos e componentes são selecionados para dispositivos individuais.

A potência do ventilador deve ser selecionada levando em consideração o rendimento dos recuperadores instalados de qualquer tipo, indicado na documentação técnica como a vazão recomendada ou o volume de ar passado pelo dispositivo por unidade de tempo. Como regra, a velocidade do ar admissível no interior do dispositivo não excede 2 m / s.

Caso contrário, em altas velocidades nos elementos estreitos do recuperador, há um aumento acentuado do arrasto aerodinâmico. Isso leva a custos desnecessários de energia, aquecimento ineficiente do ar externo e diminui a vida útil dos ventiladores.

O gráfico de perda de pressão versus vazão de ar para vários modelos de trocadores de calor de alto desempenho mostra um aumento não linear na resistência, portanto, é necessário respeitar os requisitos para o volume de troca de ar recomendado indicado na documentação técnica do dispositivo

Alterar a direção do fluxo de ar cria um arrasto aerodinâmico adicional. Portanto, ao modelar a geometria do duto interno, é desejável minimizar o número de rotações de tubo em 90 graus. Os difusores para dispersão do ar também aumentam a resistência, por isso é aconselhável não usar elementos com um padrão complexo.

Filtros e grades contaminados criam interferência significativa no fluxo, portanto devem ser limpos ou substituídos periodicamente. Uma das maneiras eficazes de avaliar o entupimento é instalar sensores que monitoram a queda de pressão nas áreas antes e depois do filtro.

Conclusões e vídeo útil sobre o tema

O princípio de operação do recuperador rotativo e de placas:

Medindo a eficiência de um recuperador de placas:

Os sistemas de ventilação doméstica e industrial com um recuperador integrado comprovaram sua eficiência energética na manutenção do calor em ambientes fechados. Agora, existem muitas ofertas para a venda e instalação de tais dispositivos na forma de modelos prontos e testados, bem como para pedidos individuais. Você pode calcular os parâmetros necessários e executar a instalação você mesmo.

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