Ventilación de suministro y extracción con recuperación de calor: principio de funcionamiento, revisión de ventajas y desventajas.

El suministro de aire fresco durante la época fría conlleva la necesidad de calentarlo para garantizar el microclima interior adecuado.Para minimizar los costos de energía, se puede utilizar ventilación de suministro y extracción con recuperación de calor.

Comprender los principios de su funcionamiento le permitirá reducir de manera más efectiva la pérdida de calor manteniendo un volumen suficiente de aire reemplazado. Intentemos comprender este problema.

Ahorro energético en sistemas de ventilación.

En el período otoño-primavera, al ventilar habitaciones, un problema grave es la gran diferencia de temperatura entre el aire entrante y el interior. El flujo de frío desciende rápidamente y crea un microclima desfavorable en edificios residenciales, oficinas y fábricas o un gradiente vertical de temperatura inaceptable en un almacén.

Una solución común al problema es la integración en la ventilación de suministro. calentador de aire, con la ayuda del cual se calienta el flujo. Un sistema de este tipo requiere un consumo de energía, mientras que un volumen importante de aire caliente que se escapa al exterior provoca una importante pérdida de calor.

La salida de aire al exterior con vapor intenso sirve como indicador de una importante pérdida de calor, que puede utilizarse para calentar el flujo entrante.

Si los canales de entrada y salida de aire están ubicados cerca, entonces es posible transferir parcialmente el calor del flujo saliente al entrante.Esto reducirá el consumo de energía del calentador o lo eliminará por completo. Un dispositivo para asegurar el intercambio de calor entre flujos de gas de diferentes temperaturas se llama recuperador.

En la estación cálida, cuando la temperatura del aire exterior es significativamente más alta que la temperatura ambiente, se puede utilizar un recuperador para enfriar el flujo entrante.

Diseño de una unidad con recuperador.

Estructura interna de los sistemas de ventilación de suministro y extracción con recuperador integrado Son bastante sencillos, por lo que se pueden adquirir e instalar de forma independiente elemento a elemento. Si el montaje o la autoinstalación resulta complicado, puede adquirir soluciones prefabricadas en forma de monobloque estándar o estructuras prefabricadas individuales bajo pedido.

Un diseño típico de un sistema de ventilación de suministro y extracción con un recuperador ubicado en una sola carcasa se puede complementar con otros componentes a discreción del usuario.

Elementos principales y sus parámetros.

La carrocería con aislamiento térmico y acústico suele estar fabricada en chapa de acero. En el caso de instalación en pared, debe soportar la presión que se produce al espumar las grietas alrededor de la unidad, y también evitar vibraciones por el funcionamiento de los ventiladores.

En el caso de entrada y flujo de aire distribuido en varias estancias, conectar a la carcasa. sistema de conductos de aire. Está equipado con válvulas y compuertas para distribuir flujos.

Si no hay conductos de aire, se instala una rejilla o difusor en la abertura de suministro en el costado de la habitación para distribuir el flujo de aire. Se instala una rejilla de entrada de aire de tipo externo en la abertura de entrada del lado de la calle para evitar que pájaros, insectos grandes y escombros entren al sistema de ventilación.

El movimiento del aire lo proporcionan dos ventiladores de acción axial o centrífuga. En presencia de un recuperador, la circulación natural del aire en un volumen suficiente es imposible debido a la resistencia aerodinámica creada por esta unidad.

La presencia de un recuperador implica la instalación de filtros finos en la entrada de ambos flujos. Esto es necesario para reducir la intensidad de la obstrucción de los finos canales del intercambiador de calor con depósitos de polvo y grasa. De lo contrario, para que el sistema funcione plenamente, será necesario aumentar la frecuencia del mantenimiento preventivo.

Los filtros finos deben cambiarse o limpiarse periódicamente. De lo contrario, una mayor resistencia al flujo de aire provocará una falla del ventilador.

Uno o más recuperadores ocupan el volumen principal del dispositivo de suministro y escape. Están montados en el centro de la estructura.

En caso de heladas severas típicas del territorio y eficiencia insuficiente del recuperador para calentar el aire exterior, se puede instalar adicionalmente un calentador. Además, si es necesario, se instalan un humidificador, un ionizador y otros dispositivos para crear un microclima favorable en la habitación.

Los modelos modernos incluyen una unidad de control electrónico. Las modificaciones complejas tienen funciones para programar modos de funcionamiento en función de los parámetros físicos del entorno aéreo. Los paneles exteriores tienen una apariencia atractiva, gracias a la cual se adaptan bien a cualquier interior.

Resolviendo el problema de la condensación.

Enfriar el aire procedente de la habitación crea las condiciones previas para la liberación de humedad y la formación de condensación. En el caso de un caudal elevado, la mayor parte no tiene tiempo de acumularse en el recuperador y sale al exterior.Con un movimiento lento del aire, una parte importante del agua permanece dentro del dispositivo. Por lo tanto, es necesario asegurarse de que la humedad se recoja y se elimine fuera de la carcasa. sistema de suministro y escape.

Un dispositivo elemental para recoger y descargar condensado es una bandeja ubicada debajo del intercambiador de calor con una pendiente hacia el orificio de drenaje.

La humedad se elimina en un recipiente cerrado. Se coloca únicamente en el interior para evitar la congelación de los canales de salida a temperaturas bajo cero. No existe un algoritmo para calcular de forma fiable el volumen de agua recibida cuando se utilizan sistemas con recuperador, por lo que se determina experimentalmente.

La reutilización del condensado para la humidificación del aire no es deseable, ya que el agua absorbe muchos contaminantes como el sudor humano, los olores, etc.

Puede reducir significativamente el volumen de condensación y evitar problemas asociados con su aparición organizando un sistema de escape separado del baño y la cocina. Es en estas habitaciones donde el aire tiene mayor humedad. Si hay varios sistemas de escape, el intercambio de aire entre las áreas técnica y residencial debe limitarse mediante la instalación de válvulas de retención.

Si el flujo de aire de escape se enfría a temperaturas negativas dentro del recuperador, el condensado se convierte en hielo, lo que provoca una reducción en la sección transversal abierta del flujo y, como consecuencia, una disminución del volumen o el cese total de la ventilación.

Para la descongelación periódica o única del recuperador, se instala un bypass: un canal de bypass para el movimiento del aire de suministro. Cuando un flujo pasa por alto el dispositivo, la transferencia de calor se detiene, el intercambiador de calor se calienta y el hielo pasa al estado líquido. El agua fluye hacia el depósito de recogida de condensado o se evapora en el exterior.

El principio del dispositivo de derivación es simple, por lo que si existe riesgo de formación de hielo, es aconsejable prever dicha solución, ya que calentar el recuperador por otros medios es complejo y requiere mucho tiempo.

Cuando el flujo pasa a través del bypass, no se calienta el aire suministrado a través del recuperador. Por lo tanto, cuando se activa este modo, el calentador debe encenderse automáticamente.

Características de varios tipos de recuperadores.

Existen varias opciones estructuralmente diferentes para implementar el intercambio de calor entre flujos de aire frío y caliente. Cada uno de ellos tiene sus propias características distintivas, que determinan el objetivo principal de cada tipo de recuperador.

Recuperador de flujo cruzado de placas

El diseño del recuperador de placas se basa en paneles de paredes delgadas, conectados alternativamente de tal manera que se alterna el paso de flujos de diferentes temperaturas entre ellos en un ángulo de 90 grados. Una de las modificaciones de este modelo es un dispositivo con canales con aletas para el paso del aire. Tiene un mayor coeficiente de transferencia de calor.

El paso alternativo del flujo de aire caliente y frío a través de las placas se realiza doblando los bordes de las placas y sellando las juntas con resina de poliéster.

Los paneles de intercambio de calor pueden estar fabricados de varios materiales:

• las aleaciones a base de cobre, latón y aluminio tienen buena conductividad térmica y no son susceptibles a la oxidación;
• plástico elaborado a partir de un material polimérico hidrófobo con un alto coeficiente de conductividad térmica y bajo peso;
• La celulosa higroscópica permite que la condensación penetre a través de la placa y regrese a la habitación.

La desventaja es la posibilidad de que se forme condensación a bajas temperaturas.Debido a la pequeña distancia entre las placas, la humedad o el hielo aumentan significativamente la resistencia aerodinámica. En caso de congelación, es necesario bloquear el flujo de aire entrante para calentar las placas.

Las ventajas de los recuperadores de placas son las siguientes:

• bajo costo;
• larga vida útil;
• largo período entre el mantenimiento preventivo y la facilidad de su implementación;
• pequeñas dimensiones y peso.

Este tipo de recuperador es más común para locales residenciales y de oficinas. También se utiliza en algunos procesos tecnológicos, por ejemplo, para optimizar la combustión de combustible durante el funcionamiento de los hornos.

Tipo tambor o rotativo

El principio de funcionamiento de un recuperador rotativo se basa en la rotación de un intercambiador de calor, en cuyo interior se encuentran capas de metal corrugado con alta capacidad calorífica. Como resultado de la interacción con el flujo saliente, se calienta el sector del tambor, que posteriormente desprende calor al aire entrante.

El intercambiador de calor de malla fina de un recuperador rotativo es susceptible a obstrucción, por lo que se debe prestar especial atención al funcionamiento de calidad de los filtros finos.

Las ventajas de los recuperadores rotativos son las siguientes:

• eficiencia bastante alta en comparación con los tipos de la competencia;
• retorno de una gran cantidad de humedad, que permanece en forma de condensación en el tambor y se evapora al entrar en contacto con el aire seco entrante.

Este tipo de recuperador se utiliza con menos frecuencia en edificios residenciales para ventilación de apartamentos o cabañas. A menudo se utiliza en grandes salas de calderas para devolver el calor a los hornos o en grandes locales industriales o comerciales.

Sin embargo, este tipo de dispositivo tiene importantes desventajas:

• un diseño relativamente complejo con piezas móviles, incluido un motor eléctrico, un tambor y una transmisión por correa, que requiere un mantenimiento constante;
• aumento del nivel de ruido.

A veces, para dispositivos de este tipo se puede encontrar el término "intercambiador de calor regenerativo", que es más correcto que "recuperador". El hecho es que una pequeña parte del aire de escape regresa debido al ajuste flojo del tambor al cuerpo de la estructura.

Esto impone restricciones adicionales a la posibilidad de utilizar dispositivos de este tipo. Por ejemplo, el aire contaminado de las estufas no se puede utilizar como refrigerante.

Sistema de tubo y carcasa.

Un recuperador de tipo tubular consta de un sistema de tubos de paredes delgadas y pequeño diámetro ubicados en una carcasa aislada, a través de la cual ingresa aire exterior. La carcasa elimina el aire caliente de la habitación, que calienta el flujo entrante.

El aire caliente debe evacuarse a través de la carcasa y no a través de un sistema de tuberías, ya que es imposible eliminar el condensado de ellas.

Las principales ventajas de los recuperadores tubulares son las siguientes:

• alta eficiencia debido al principio de movimiento contracorriente del refrigerante y el aire entrante;
• la simplicidad del diseño y la ausencia de piezas móviles garantizan bajos niveles de ruido y rara vez requieren mantenimiento;
• larga vida útil;
• la sección transversal más pequeña entre todos los tipos de dispositivos de recuperación.

Los tubos para este tipo de dispositivo utilizan metal de aleación ligera o, con menos frecuencia, polímero. Estos materiales no son higroscópicos, por lo que con una diferencia significativa en las temperaturas de flujo se puede formar una intensa condensación en la carcasa, lo que requiere una solución constructiva para su eliminación.Otra desventaja es que el relleno metálico tiene un peso considerable, a pesar de sus pequeñas dimensiones.

La simplicidad del diseño de un recuperador tubular hace que este tipo de dispositivo sea popular para la autoproducción. Como carcasa exterior se suelen utilizar tubos de plástico para conductos de aire, aislados con una carcasa de espuma de poliuretano.

Dispositivo con refrigerante intermedio

A veces, los conductos de aire de suministro y escape están ubicados a cierta distancia entre sí. Esta situación puede surgir debido a las características tecnológicas del edificio o a los requisitos sanitarios para una separación fiable de los flujos de aire.

En este caso, se utiliza un refrigerante intermedio que circula entre los conductos de aire a través de una tubería aislada. Como medio para transferir energía térmica se utiliza agua o una solución de agua y glicol, cuya circulación está asegurada por el funcionamiento. bomba de calor.

Un recuperador con refrigerante intermedio es un dispositivo voluminoso y costoso, cuyo uso está económicamente justificado en locales con grandes superficies.

Si es posible utilizar otro tipo de recuperador, entonces es mejor no utilizar un sistema con refrigerante intermedio, ya que tiene las siguientes desventajas importantes:

• baja eficiencia en comparación con otros tipos de dispositivos, por lo que dichos dispositivos no se utilizan en habitaciones pequeñas con poco flujo de aire;
• volumen y peso significativos de todo el sistema;
• la necesidad de una bomba eléctrica adicional para hacer circular el líquido;
• aumento del ruido de la bomba.

Existe una modificación de este sistema cuando, en lugar de la circulación forzada del fluido intercambiador de calor, se utiliza un medio de bajo punto de ebullición, como el freón.En este caso, el movimiento a lo largo del contorno es posible de forma natural, pero solo si el conducto de suministro de aire está ubicado encima del conducto de aire de escape.

Un sistema de este tipo no requiere costes energéticos adicionales, sino que funciona para calentar solo cuando hay una diferencia de temperatura significativa. Además, es necesario ajustar el punto de cambio en el estado de agregación del fluido intercambiador de calor, lo que se puede lograr creando la presión requerida o una determinada composición química.

Principales parámetros técnicos.

Conociendo el rendimiento requerido del sistema de ventilación y la eficiencia del intercambio de calor del recuperador, es fácil calcular el ahorro en calefacción de aire para una habitación en condiciones climáticas específicas. Al comparar los beneficios potenciales con los costos de compra y mantenimiento del sistema, puede elegir razonablemente un recuperador o un calentador de aire estándar.

Los fabricantes de equipos suelen ofrecer una línea de modelos en la que las unidades de ventilación con funcionalidad similar difieren en el volumen de intercambio de aire. Para locales residenciales, este parámetro debe calcularse de acuerdo con la Tabla 9.1. SP 54.13330.2016

Eficiencia

Se entiende por eficiencia de un recuperador la eficiencia de transferencia de calor, la cual se calcula mediante la siguiente fórmula:

k = (t_PAG - T._norte) / (T_V - T._norte)

Donde:

• t_PAG – temperatura del aire que entra en la habitación;
• t_norte – temperatura del aire exterior;
• t_V – temperatura del aire ambiente.

Valor máximo de eficiencia en estándar velocidad del flujo de aire y un determinado régimen de temperatura se indican en la documentación técnica del dispositivo. Su cifra real será ligeramente menor.

En el caso de la autofabricación de un recuperador de placas o tubular, para lograr la máxima eficiencia de transferencia de calor, se deben seguir las siguientes reglas:

• La mejor transferencia de calor la proporcionan los dispositivos de contraflujo, luego los de flujo cruzado y la menor, el movimiento unidireccional de ambos flujos.
• La intensidad de la transferencia de calor depende del material y espesor de las paredes que separan los flujos, así como de la duración del aire dentro del dispositivo.

Conociendo la eficiencia del recuperador, se puede calcular su eficiencia energética a diferentes temperaturas del aire exterior e interior:

E (An) = 0,36 x P x K x (T_V - T._norte)

donde P (metro³/hora) – flujo de aire.

El cálculo de la eficiencia del recuperador en términos monetarios y la comparación con los costos de adquisición e instalación para una cabaña de dos pisos con un área total de 270 m2 muestra la viabilidad de instalar dicho sistema.

El costo de los recuperadores de alta eficiencia es bastante alto, tienen un diseño complejo y dimensiones importantes. A veces es posible solucionar estos problemas instalando varios dispositivos más simples para que el aire entrante pase a través de ellos secuencialmente.

Rendimiento del sistema de ventilación.

El volumen de aire que pasa está determinado por la presión estática, que depende de la potencia del ventilador y de los componentes principales que crean resistencia aerodinámica. Como regla general, su cálculo exacto es imposible debido a la complejidad del modelo matemático, por lo que se llevan a cabo estudios experimentales para estructuras monobloque estándar y se seleccionan componentes para dispositivos individuales.

La potencia del ventilador debe seleccionarse teniendo en cuenta el rendimiento de los intercambiadores de calor instalados de cualquier tipo, que se indica en la documentación técnica como el caudal recomendado o el volumen de aire que pasa por el dispositivo por unidad de tiempo. Como regla general, la velocidad del aire permitida dentro del dispositivo no supera los 2 m/s.

De lo contrario, a altas velocidades, se produce un fuerte aumento de la resistencia aerodinámica en los elementos estrechos del recuperador. Esto provoca costes energéticos innecesarios, un calentamiento ineficaz del aire exterior y una reducción de la vida útil del ventilador.

El gráfico de pérdida de presión versus caudal de aire para varios modelos de recuperadores de alto rendimiento muestra un aumento no lineal en la resistencia, por lo que es necesario cumplir con los requisitos para el volumen de intercambio de aire recomendado especificado en la documentación técnica del dispositivo.

Cambiar la dirección del flujo de aire crea una resistencia aerodinámica adicional. Por lo tanto, al modelar la geometría de un conducto de aire interior, es deseable minimizar el número de vueltas de tubería en 90 grados. Los difusores de aire también aumentan la resistencia, por lo que es recomendable no utilizar elementos con patrones complejos.

Los filtros y rejillas sucios crean una interferencia significativa con el flujo, por lo que deben limpiarse o reemplazarse periódicamente. Una forma eficaz de evaluar la obstrucción es instalar sensores que monitoreen la caída de presión en las áreas antes y después del filtro.

Conclusiones y vídeo útil sobre el tema.

Principio de funcionamiento del recuperador rotativo y de placas:

Medición de la eficiencia de un recuperador tipo placa:

Los sistemas de ventilación domésticos e industriales con recuperador integrado han demostrado su eficiencia energética para mantener el calor en interiores. Ahora existen muchas ofertas para la venta e instalación de dichos dispositivos, tanto en forma de modelos listosizados y probados como en pedidos individuales. Puede calcular los parámetros necesarios y realizar la instalación usted mismo.

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