Ventilação de insuflação e extração com recuperação de calor: princípio de funcionamento, visão geral das vantagens e desvantagens

A entrada de ar fresco durante o período frio exige o seu aquecimento para garantir o microclima adequado dos ambientes. Para minimizar os custos de energia elétrica, pode ser utilizada a ventilação de insuflação e exaustão com recuperação de calor.

Compreender os princípios do seu funcionamento permitirá reduzir ao máximo as perdas de calor, mantendo um volume suficiente de ar de renovação. Vamos tentar entender essa questão.

Economia de energia em sistemas de ventilação

No período de outono-primavera, ao ventilar os ambientes, um grave problema é a grande diferença de temperatura entre o ar que entra e o ar que está dentro. O fluxo frio desce e cria um microclima desfavorável em residências, escritórios e na indústria, ou um gradiente vertical de temperatura inaceitável em armazéns.

Uma solução comum para o problema é a integração de um aquecedor na ventilação de insuflação, através do qual ocorre o aquecimento do fluxo. Esse sistema requer consumo de energia elétrica, enquanto um volume significativo de ar quente saindo para o exterior leva a perdas substanciais de calor.

A saída de ar para o exterior com vapor intenso serve como indicador de perdas significativas de calor, que podem ser usadas para aquecer o fluxo de entrada.

Se os canais de entrada e saída de ar estiverem próximos, é possível transferir parcialmente o calor do fluxo de saída para o fluxo de entrada. Isso permitirá reduzir o consumo de eletricidade do aquecedor ou até mesmo dispensá-lo. O dispositivo para garantir a troca de calor entre fluxos de gases com diferentes temperaturas é chamado de recuperador.

Na estação quente, quando a temperatura do ar externo excede significativamente a temperatura ambiente, pode-se usar o recuperador para resfriar o fluxo de entrada.

Estrutura do bloco com recuperador

A estrutura interna dos sistemas de ventilação de insuflação e exaustão com recuperador integrado é bastante simples, portanto é possível sua compra e instalação independente por elementos. Caso a montagem ou instalação própria apresente dificuldades, é possível adquirir soluções prontas na forma de construções monobloco padrão ou construções modulares individuais sob encomenda.

O esquema típico de um sistema de ventilação de insuflação e exaustão com recuperador instalado em um único invólucro pode ser complementado com outros componentes a critério do usuário

Elementos principais e seus parâmetros

O invólucro com isolamento térmico e acústico é geralmente feito de chapa de aço. No caso de montagem na parede, deve suportar a pressão que surge ao espumar as fendas ao redor da unidade, bem como evitar vibração do funcionamento dos ventiladores.

No caso de captação e insuflação distribuídas de ar em diferentes ambientes, ao invólucro é conectado um sistema de dutos de ar. Este é equipado com válvulas e registros para distribuição dos fluxos.

Na ausência de dutos de ar, na abertura de insuflação do lado do ambiente é instalada uma grelha ou difusor para distribuição do fluxo de ar. Na abertura de insuflação do lado externo é montada uma grelha de captação de ar do tipo externo para evitar a entrada de pássaros, insetos grandes e detritos no sistema de ventilação.

O movimento do ar é garantido por dois ventiladores do tipo axial ou centrífugo. Na presença de um recuperador, a circulação natural de ar em volume suficiente é impossível devido à resistência aerodinâmica criada por este componente.

A presença do recuperador implica a instalação de filtros de limpeza fina na entrada de ambos os fluxos. Isso é necessário para reduzir a intensidade de entupimento por poeira e depósitos de gordura nos canais finos do trocador de calor. Caso contrário, para o funcionamento adequado do sistema, será necessário aumentar a frequência dos trabalhos de manutenção preventiva.

Os filtros de limpeza fina devem ser substituídos ou limpos periodicamente. Caso contrário, o aumento da resistência ao fluxo de ar causará a quebra dos ventiladores.

Um ou vários recuperadores ocupam o volume principal do dispositivo de insuflação e exaustão. Eles são montados no centro da estrutura.

No caso de geadas severas típicas da região e eficiência insuficiente do recuperador para aquecer o ar externo, pode-se instalar adicionalmente um aquecedor. Também, conforme necessário, são instalados umidificador, ionizador e outros dispositivos para criar um microclima favorável no ambiente.

Os modelos modernos preveem a presença de uma unidade de controle eletrônico. Modificações complexas possuem funções de programação dos modos de operação dependendo dos parâmetros físicos do ambiente aéreo. Os painéis externos têm uma aparência atraente, podendo assim ser bem integrados em qualquer interior do ambiente.

Solução para o problema da formação de condensado

O resfriamento do ar que entra do ambiente cria condições para a liberação de umidade e formação de condensado. No caso de alta velocidade do fluxo, grande parte não consegue se acumular no recuperador e sai para o exterior. Com movimento lento do ar, uma parte significativa da água permanece dentro do dispositivo. Portanto, é necessário garantir a coleta da umidade e sua saída para fora do corpo do sistema de ventilação de insuflação e exaustão.

O dispositivo elementar para coleta e drenagem de condensado é uma bandeja localizada sob o recuperador com inclinação em direção ao orifício de drenagem

A umidade é descarregada em um recipiente fechado. Ele é colocado apenas dentro do ambiente para evitar o congelamento dos canais de saída em temperaturas negativas. Não existe um algoritmo confiável para calcular o volume de água obtida ao usar sistemas com recuperador, por isso ele é determinado experimentalmente.

A reutilização do condensado para umidificação do ar não é desejável, pois a água absorve muitos poluentes, como suor humano, odores, etc.

É possível reduzir significativamente o volume de condensado e evitar os problemas associados à sua formação organizando um sistema de exaustão separado para o banheiro e a cozinha. É precisamente nestes ambientes que o ar tem a maior umidade. Na presença de vários sistemas de exaustão, a troca de ar entre a zona técnica e a residencial deve ser limitada através da instalação de válvulas de retenção.

No caso de resfriamento do fluxo de ar de saída a temperaturas negativas dentro do recuperador, ocorre a transformação do condensado em gelo, o que causa a redução da seção transversal útil do fluxo e, consequentemente, a diminuição do volume ou a parada completa da ventilação.

Para o degelo periódico ou único do recuperador, instala-se um by-pass – um canal de desvio para o movimento do ar de insuflação. Ao passar o fluxo pelo desvio do dispositivo, ocorre a interrupção da transferência de calor, o aquecimento do trocador de calor e a transformação do gelo em estado líquido. A água escoa para o recipiente de coleta de condensado ou evapora para o exterior.

O princípio de construção do by-pass é simples, portanto, diante do risco de formação de gelo, é conveniente prever essa solução, pois o descongelamento do recuperador por outros métodos é complicado e demorado

Ao passar o fluxo pelo by-pass, não há aquecimento do ar de insuflação através do recuperador. Portanto, ao ativar este modo, é necessário o acionamento automático do aquecedor.

Características dos diferentes tipos de recuperadores

Existem várias opções de implementação de troca térmica entre os fluxos de ar frio e aquecido, que diferem estruturalmente. Cada uma possui características distintas que determinam a finalidade principal de cada tipo de recuperador.

Recuperador de placas de fluxo cruzado

A base da construção do recuperador de placas são painéis de paredes finas, conectados alternadamente de forma a intercalar a passagem de fluxos de diferentes temperaturas em um ângulo de 90 graus. Uma das modificações deste modelo é o dispositivo com canais aletados para a passagem de ar, que possui um coeficiente de troca térmica mais elevado.

A passagem alternada dos fluxos de ar quente e frio através das placas é realizada dobrando as bordas das placas e vedando as conexões com resina de poliéster.

Os painéis de troca térmica podem ser feitos de diferentes materiais:

• cobre, latão e ligas à base de alumínio possuem boa condutividade térmica e não estão sujeitos à ferrugem;
• plástico de material polimérico hidrofóbico com alto coeficiente de condutividade térmica, que possui baixo peso;
• celulose higroscópica permite que o condensado penetre através da placa e retorne ao ambiente.

A desvantagem é a possibilidade de formação de condensado em baixas temperaturas. Devido à pequena distância entre as placas, a umidade ou o gelo aumentam significativamente a resistência aerodinâmica. Em caso de congelamento, é necessário interromper o fluxo de ar de entrada para aquecer as placas.

As vantagens dos recuperadores de placas são as seguintes:

• baixo custo;
• longa vida útil;
• longo período entre manutenções preventivas e facilidade de realização;
• pequenas dimensões e peso leve.

Este tipo de recuperador é o mais comum para residências e escritórios. Também é utilizado em alguns processos tecnológicos, por exemplo, para otimizar a combustão de combustível em fornos.

Tipo tambor ou rotativo

O princípio de funcionamento do recuperador rotativo é baseado na rotação do trocador de calor, dentro do qual existem camadas de metal corrugado com alta capacidade térmica. Como resultado da interação com o fluxo de saída, o setor do tambor é aquecido, que posteriormente transfere calor para o ar de entrada.

O trocador de calor de malha fina do recuperador rotativo está sujeito a obstrução, por isso é necessário prestar especial atenção ao funcionamento de qualidade dos filtros de alta eficiência.

As vantagens dos recuperadores rotativos são as seguintes:

• eficiência relativamente alta em comparação com tipos concorrentes;
• recuperação de grande quantidade de umidade, que na forma de condensado permanece no tambor e evapora ao entrar em contato com o ar seco que entra.

Este tipo de recuperador é menos utilizado em edifícios residenciais para ventilação por apartamento ou em casas de campo. Frequentemente é aplicado em grandes caldeiras para recuperação de calor para fornos ou para amplos espaços de uso industrial ou comercial/de entretenimento.

No entanto, este tipo de dispositivo possui desvantagens significativas:

• construção relativamente complexa com partes móveis, incluindo motor elétrico, tambor e acionamento por correia, o que requer manutenção constante;
• nível elevado de ruído.

Às vezes, para dispositivos desse tipo, pode-se encontrar o termo “trocador de calor regenerativo”, que é mais correto do que “recuperador”. O fato é que uma pequena parte do ar de exaustão retorna devido ao ajuste inadequado do tambor ao corpo da estrutura.

Isso impõe restrições adicionais à possibilidade de uso de dispositivos desse tipo. Por exemplo, não se pode usar ar poluído de fornos de aquecimento como fluido de transferência de calor.

Sistema baseado em tubos e carcaça

O recuperador do tipo tubular consiste em um sistema de tubos de pequeno diâmetro com paredes finas localizados em uma carcaça isolada, através dos quais ocorre a entrada de ar externo. Pela carcaça, realiza-se a saída da massa de ar quente do ambiente, que aquece o fluxo de entrada.

A saída do ar quente deve ser feita pela carcaça, e não através do sistema de tubos, pois é impossível remover o condensado deles.

As principais vantagens dos recuperadores tubulares são as seguintes:

• alta eficiência, devido ao princípio de contracorrente do movimento do fluido de transferência de calor e do ar de entrada;
• simplicidade de construção e ausência de partes móveis garantem baixo nível de ruído e rara necessidade de manutenção;
• longa vida útil;
• menor seção transversal entre todos os tipos de dispositivos de recuperação.

Os tubos para dispositivos desse tipo são feitos de metal leve ou, menos frequentemente, de polímero. Esses materiais não são higroscópicos, portanto, com diferença significativa de temperatura entre os fluxos, pode ocorrer formação intensa de condensado na carcaça, o que exige uma solução construtiva para sua remoção. Outra desvantagem é que o núcleo metálico possui peso considerável, apesar das pequenas dimensões.

A simplicidade de construção do recuperador tubular torna esse tipo de dispositivo popular para fabricação caseira. Como carcaça externa, geralmente são usados tubos plásticos para dutos de ar, isolados com casca de poliuretano.

Dispositivo com fluido térmico intermediário

Às vezes, os dutos de ar de insuflação e exaustão estão localizados a uma certa distância um do outro. Essa situação pode ocorrer devido a características tecnológicas do edifício ou a requisitos sanitários para a separação confiável dos fluxos de ar.

Neste caso, utiliza-se um fluido de transferência de calor intermediário que circula entre os dutos de ar através de uma tubulação isolada. Como meio para transferir energia térmica, utiliza-se água ou solução de água e glicol, cuja circulação é garantida pelo funcionamento de uma bomba de calor.

O recuperador de calor com fluido intermediário é um dispositivo volumoso e caro, cujo uso é economicamente justificado para espaços com grandes áreas.

Caso seja possível utilizar outro tipo de recuperador, é melhor não utilizar o sistema com fluido intermediário, pois ele apresenta as seguintes desvantagens significativas:

• baixa eficiência em comparação com outros tipos de dispositivos, portanto, para espaços pequenos com baixo fluxo de ar, tais dispositivos não são utilizados;
• volume e peso significativos de todo o sistema;
• necessidade de uma bomba elétrica adicional para circulação do fluido;
• ruído elevado proveniente do funcionamento da bomba.

Existe uma modificação deste sistema, onde, em vez da circulação forçada do fluido de troca térmica, utiliza-se um meio com baixo ponto de ebulição, como o freon. Neste caso, o movimento pelo circuito é possível de forma natural, mas apenas se o duto de ar de insuflação estiver localizado acima do duto de exaustão.

Tal sistema não requer custos adicionais de eletricidade, mas funciona para aquecimento apenas com uma diferença significativa de temperatura. Além disso, é necessária uma calibração precisa do ponto de mudança de estado físico do fluido de troca térmica, que pode ser realizada através da criação de pressão adequada ou de uma composição química específica.

Principais parâmetros técnicos

Conhecendo a capacidade necessária do sistema de ventilação e a eficiência de troca de calor do recuperador, é fácil calcular a economia no aquecimento do ar para o ambiente em condições climáticas específicas. Comparando o benefício potencial com os custos de aquisição e manutenção do sistema, é possível fazer uma escolha fundamentada entre o recuperador e um aquecedor padrão.

Frequentemente, os fabricantes de equipamentos oferecem uma linha de modelos na qual os blocos de ventilação com funcionalidades semelhantes diferem na taxa de troca de ar. Para ambientes residenciais, este parâmetro deve ser calculado de acordo com a tabela 9.1 da SP 54.13330.2016.

Coeficiente de eficiência

Por coeficiente de eficiência do recuperador entende-se a eficácia da transferência de calor, que é calculada pela seguinte fórmula:

K = (T_p – T_n) / (T_v – T_n)

Onde:

• T_p – temperatura do ar que entra no ambiente;
• T_n – temperatura do ar exterior;
• T_v – temperatura do ar no ambiente.

O valor máximo de eficiência sob a velocidade padrão do fluxo de ar e um determinado regime de temperatura é indicado na documentação técnica do dispositivo. Seu valor real será um pouco menor.

No caso de fabricação própria de um recuperador de calor de placas ou tubular, para alcançar a máxima eficiência de transferência de calor, é necessário seguir as seguintes regras:

• Os dispositivos de fluxo contracorrente proporcionam a melhor troca de calor, seguidos pelos de fluxo cruzado, e a menor é fornecida pelos dispositivos com movimento unidirecional de ambos os fluxos.
• A intensidade da troca de calor depende do material e da espessura das paredes que separam os fluxos, bem como do tempo de permanência do ar dentro do dispositivo.

Conhecendo a eficiência do recuperador de calor, é possível calcular sua eficiência energética para diferentes temperaturas do ar externo e interno:

E (W) = 0,36 x P x K x (T_v – T_n)

onde P (m³/h) – vazão de ar.

O cálculo da eficiência do recuperador de calor em equivalente monetário e a comparação com os custos de aquisição e instalação para um chalé de dois andares com área total de 270 m² demonstra a viabilidade da instalação de tal sistema.

O custo dos recuperadores de calor com alta eficiência é bastante elevado, eles têm uma construção complexa e dimensões significativas. Às vezes, é possível contornar esses problemas instalando vários dispositivos mais simples de modo que o ar que entra passe por eles sequencialmente.

Capacidade do sistema de ventilação

O volume de ar que passa é determinado pela pressão estática, que depende da potência do ventilador e dos componentes principais que criam resistência aerodinâmica. Geralmente, seu cálculo preciso é impossível devido à complexidade do modelo matemático, por isso, para construções monobloco típicas, são realizados estudos experimentais, e para dispositivos individuais, é feita a seleção de componentes.

A potência do ventilador deve ser selecionada levando em consideração a capacidade de vazão dos recuperadores de calor instalados de qualquer tipo, que é indicada na documentação técnica como a velocidade de fluxo recomendada ou o volume de ar que o dispositivo movimenta por unidade de tempo. Geralmente, a velocidade permitida do ar dentro do dispositivo não excede 2 m/s.

Caso contrário, em altas velocidades nos elementos estreitos do recuperador de calor, ocorre um aumento acentuado da resistência aerodinâmica. Isso leva a custos extras de eletricidade, aquecimento ineficiente do ar externo e redução da vida útil dos ventiladores.

O gráfico da perda de pressão em função da velocidade do fluxo de ar para vários modelos de recuperadores de alta eficiência mostra um crescimento não linear da resistência, portanto é necessário seguir os requisitos de volume de troca de ar recomendados indicados na documentação técnica do dispositivo.

A mudança na direção do fluxo de ar cria resistência aerodinâmica adicional. Portanto, ao modelar a geometria do duto de ar dentro do ambiente, é desejável minimizar o número de curvas dos tubos em 90 graus. Os difusores para dispersão do ar também aumentam a resistência, por isso é aconselhável não usar elementos com padrões complexos.

Filtros e grades sujos criam obstruções significativas ao movimento do fluxo, por isso devem ser limpos ou substituídos periodicamente. Uma das formas eficazes de avaliar o entupimento é instalar sensores que monitoram a diferença de pressão nas seções antes e depois do filtro.

Conclusões e vídeo útil sobre o tema

Princípio de funcionamento do recuperador rotativo e de placas:

Medição da eficiência do recuperador do tipo placas:

Sistemas de ventilação residenciais e industriais com recuperador integrado provaram sua eficiência energética na conservação de calor dentro dos ambientes. Atualmente, existem muitas ofertas de venda e instalação desses dispositivos, tanto na forma de modelos prontos e testados, quanto sob encomenda personalizada. O cálculo dos parâmetros necessários e a instalação podem ser feitos por conta própria.

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