Recuperação de calor em sistemas de ventilação: princípio de funcionamento e opções de execução

No processo de ventilação, não apenas o ar exausto é eliminado do ambiente, mas também parte da energia térmica. No inverno, isso leva ao aumento das contas de energia.

A recuperação de calor em sistemas de ventilação de tipo centralizado e local permite reduzir gastos injustificados, sem comprometer a troca de ar. Para a regeneração de energia térmica, são utilizados diferentes tipos de trocadores de calor – os recuperadores.

No artigo, são descritos detalhadamente os modelos dos equipamentos, suas características construtivas, princípios de funcionamento, vantagens e desvantagens. As informações apresentadas ajudarão na escolha da opção ideal para a instalação do sistema de ventilação.

Conceito de recuperação: princípio de funcionamento do trocador de calor

Em tradução do latim, recuperação significa indenização ou obtenção reversa. Em relação às reações de troca de calor, a recuperação é caracterizada como o retorno parcial da energia gasta na realização de uma ação tecnológica com o objetivo de aplicá-la no mesmo processo.

No sistema de ventilação, o princípio de recuperação é utilizado para economizar energia térmica.

Por analogia, ocorre a recuperação de resfriamento em clima quente – as massas de ar quente de entrada aquecem o ar exausto e sua temperatura diminui.

O processo de regeneração de energia é realizado no trocador de calor recuperativo. O dispositivo inclui um elemento trocador de calor e ventiladores para bombear fluxos de ar em direções opostas. Um sistema de automação é usado para controlar o processo e monitorar a qualidade do ar fornecido.

O projeto é desenvolvido de modo que os fluxos de entrada e exaustão estejam em compartimentos separados e não se misturem – a recuperação de calor é realizada através das paredes do trocador de calor.

Para entender o que é ventilação com recuperação, um diagrama visual da circulação do ar ajudará.

Através das exaustões em ambientes úmidos (banheiro, lavabo, cozinha), ocorre a saída do ar exausto. Antes de ser eliminado para o exterior, ele passa pelo recuperador e deixa parte do calor. O ar fornecido se move na direção oposta, é aquecido e entra nos cômodos residenciais (+)

Conveniência do recuperador na ventilação

A viabilidade de instalar ventilação recuperativa pode ser discutida avaliando a eficiência do sistema e comparando suas vantagens com as desvantagens.

Do ar exausto extraído para o exterior, uma parte do calor é captada e transferida para as correntes de ar fresco insufladas para o interior do ambiente. Isso permite reduzir as perdas de calor em até 70% (+).

A necessidade de usar recuperação de calor é mais relevante em edifícios com exaustão forçada de ar. Geralmente, são construções de baixa inércia térmica, erguidas com tecnologias inovadoras de isolamento térmico (casas de painéis sanduíche, placas de silicato de gás, blocos de espuma).

Nessas construções, as paredes acumulam mal o calor e a troca natural de ar é pouco eficiente.

No entanto, problemas de circulação de ar também são comuns em construções «tradicionais» de tijolo e concreto. A presença de janelas de PVC herméticas com isolamento térmico e acústico bloqueia a circulação natural – a entrada de ar fresco é interrompida, e a tiragem no duto de ventilação se inverte ou tende a zero.

A solução para o problema das «janelas europeias» – a organização de ventilação forçada. O sistema restaura a troca de ar, mas as perdas de calor aumentam até 60%. E aqui já não é possível prescindir da recuperação térmica.

A eficiência do processo de troca é expressa em porcentagem e mostra a quantidade de calor gasto do ar de exaustão para aquecer o ar fresco de «entrada»

Indicador de eficiência da recuperação de calor da ventilação:

• 0% – janela aberta – o ar quente é removido para a atmosfera e o ar frio entra, diminuindo a temperatura no ambiente;
• 100% – o ar de entrada é aquecido até a temperatura de «exaustão» – tecnicamente impossível de realizar;
• 30-90% – parâmetro aceitável, considera-se boa a recuperação com eficiência de 60% ou mais, eficiência acima de 80% – excelente troca de calor.

A eficiência do sistema depende do tipo de recuperador, das dimensões do ambiente e do fluxo de ar. Em qualquer caso, o uso de ventilação com recuperação, mesmo com eficiência de 30%, é mais vantajoso do que sua ausência. Além da economia significativa de recursos energéticos, a «regeneração» de calor melhora o microclima geral do ambiente.

Desvantagens do uso do trocador de calor:

1. Dependência de energia. A compra de equipamentos climáticos é justificada se o consumo de eletricidade for significativamente menor do que a economia após a instalação do recuperador.
2. Condensação. Devido à diferença de temperatura nas paredes do trocador de calor, pode ocorrer condensação de umidade. No inverno, há risco de congelamento, o que pode levar a uma rápida redução da eficiência ou à falha do recuperador.
3. Funcionamento ruidoso. Alguns modelos emitem um zumbido durante a operação. Se durante o dia essa desvantagem não é muito perceptível, à noite o ruído causa desconforto. Recuperadores com isolamento melhorado funcionam silenciosamente.

Altos investimentos iniciais muitas vezes se tornam o principal argumento contra a ventilação energeticamente eficiente.

É aconselhável investir dinheiro no sistema que se pague em 5-8 anos. Deve-se considerar que para a manutenção do conjunto serão necessários gastos adicionais, por exemplo, a substituição periódica dos ventiladores.

Características dos diferentes tipos de trocadores de calor

A construção do recuperador determina o esquema de movimento do fluido térmico, a eficiência do sistema de ventilação, a classe de consumo de energia e o custo do equipamento. São utilizadas cinco variações de trocadores de calor: de placas, rotativo, tubos de calor, dispositivos de câmara e modelos com fluido térmico intermediário.

Recuperador de placas – simplicidade de construção

A base do trocador de calor é uma câmara selada com múltiplos dutos de ar paralelos. Os canais são separados por divisórias – placas condutoras de calor, fabricadas em aço ou alumínio.

Placas onduladas (60-70 unidades) são agrupadas em um bloco de modo que os canais formados fiquem dispostos transversalmente uns aos outros – a turbulência criada melhora a troca de calor (+)

Os fluxos de gases movem-se em direção oposta, cruzam-se no cassete do recuperador, mas não se misturam. A troca de calor ocorre através do resfriamento e aquecimento simultâneos das placas por lados diferentes.

Vantagens do trocador de calor cruzado:

• simplicidade de instalação e ajuste do equipamento;
• exclusão de contato entre as massas de ar;
• custo acessível e dimensões compactas;
• ausência de peças de atrito e móveis.

O índice de eficiência varia na faixa de 40-70%.

A principal desvantagem do modelo de placas é o acúmulo de condensado no duto de exaustão e a formação de gelo no inverno. Para descongelar o agregado, o fluxo de entrada é redirecionado contornando o trocador de calor, e o fluxo quente de saída derrete o gelo nas placas.

No modo de 'descongelamento', a economia de energia não ocorre; para aquecer o ar de entrada, são usados aquecedores de até 5 kW. O valor médio do rendimento cai em 20% (+)

São possíveis duas formas de resolver o problema:

1. Pré-aquecimento do fluxo de ar de entrada a uma temperatura que impeça a formação de gelo.
2. Recuperador com placas de celulose higroscópica. O material absorve a umidade das massas de ar de exaustão e a transfere para os fluxos de ar de entrada.

Ao escolher um trocador de calor cruzado, deve-se considerar as características operacionais das placas.

Suas características dependem do material de fabricação:

1. Folha de alumínio – custo acessível, mas desempenho limitado no inverno. Além disso, não é recomendado para ambientes residenciais devido à secagem do ar. Modificações com 'recheio' de alumínio – opção ideal para saunas e piscinas.
2. Divisórias de plástico – em preço são semelhantes aos produtos metálicos, mas diferenciam-se pela eficiência melhorada.
3. Trocador de calor de celulose – impede o congelamento e mantém o teor de umidade normal dentro do ambiente.

O recuperador de higrocelulose é o mais econômico e ideal para ventilação de edifícios residenciais.

Recuperador rotativo – alta eficiência do sistema

O trocador de calor é apresentado em forma de cilindro preenchido com camadas de metal corrugado. À medida que a unidade rotativa gira, jatos de ar quentes ou frios entram alternadamente em cada compartimento.

Construção do recuperador rotativo: eixo de rotação e dois dutos de ar. Uma seção do rotor é aquecida pelo ar de exaustão, o tambor gira e o calor é redirecionado para as massas frias concentradas no duto adjacente (+)

A eficiência da troca de calor é determinada pela velocidade de rotação do rotor; a eficácia do funcionamento pode ser ajustada.

Argumentos a favor do recuperador rotativo:

• recuperação de calor de até 65-90%;
• eficiência no consumo de eletricidade;
• recuperação parcial de umidade – é possível dispensar o umidificador;
• período de retorno do investimento – até 4 anos.

Apesar da alta eficiência, o trocador de calor do tipo tambor não se tornou líder entre instalações similares.

Desvantagens do sistema de ventilação:

1. Mistura de ar contaminado no fluxo de entrada. Através dos microcanais, as massas de exaustão e de insuflação circulam alternadamente, portanto cerca de 3-8% do ar de exaustão retorna. O tambor frequentemente transmite o odor do ar de saída.
2. Complexidade da construção. As partes rotativas do rotor necessitam de manutenção regular e substituição periódica. Os elementos móveis durante a operação produzem ruído e vibração.
3. Custo elevado. O preço dos modelos rotativos é maior do que o dos modelos de placas. Isso se deve ao uso de mecânica complexa na construção do trocador de calor de tambor.
4. Grandes dimensões. A instalação é realizada em uma câmara de ventilação espaçosa.

Devido ao seu tamanho volumoso, as unidades rotativas são utilizadas principalmente em instalações industriais.

Para minimizar a mistura dos fluxos de ar, os recuperadores rotativos são complementados com setores intermediários – aqui os microcanais são soprados com ar fresco, que retorna para a exaustão. Desvantagem do esquema – redução da eficiência (+)

Trocadores de calor acoplados – modelo de glicol

A unidade de recuperação com fluido intermediário, devido às suas características construtivas, é frequentemente chamada de trocadores de calor acoplados ou unidade de glicol. É um dos sistemas mais flexíveis de recuperação de calor. Um trocador de calor é inserido no duto de insuflação e o outro, no de exaustão.

No esquema de interligação estão presentes: bomba de circulação, tanque de expansão, válvula de ar, controlador, sensor de temperatura, válvula de segurança, indicador de pressão (+)

Princípio de funcionamento. A composição de glicol circula entre os trocadores de calor. A temperatura do fluido de transferência térmica aumenta devido ao fluxo de exaustão aquecido, e então a energia térmica é transferida para o ar fresco. O sistema fechado impede a mistura das massas de ar opostas.

Características do funcionamento dos trocadores de calor com fluido de transferência térmica:

• Eficiência – 45-55%;
• Ajuste da eficiência por meio de bomba – seleciona-se a velocidade do movimento do anticongelante;
• possibilidade de instalação dos dutos de insuflamento e exaustão a uma distância entre si (até 800 m);
• a instalação do recuperador de calor é feita na vertical ou na horizontal;
• em geadas severas, a superfície do trocador de calor de exaustão congela – forma-se gelo; o uso de anticongelante permite operar o recuperador sem precisar descongelar;
• período de retorno do investimento do sistema – até 2 anos;
• é permitida a combinação de 1 exaustão e várias insuflações ou vice-versa.

O volume de ar extraído e insuflado deve ser aproximadamente igual. Esses recuperadores são normalmente usados quando o ar de insuflamento é tóxico ou muito poluído, quando a mistura dos fluxos não é permitida.

Unidade de câmara – versatilidade de aplicação

Estruturalmente, o trocador de calor de câmara é uma caixa fechada, dividida internamente por uma comporta móvel. A divisória que se abre determina o esquema de funcionamento do recuperador.

O fluxo de exaustão passa ao longo de um canal, e o fluxo de insuflamento entra na segunda câmara. No trocador de calor, as massas quentes aquecem as paredes do primeiro compartimento. Após algum tempo, a comporta se move e o fluxo de ar muda de direção.

Como resultado, o fluxo de insuflamento se move ao longo das paredes quentes do primeiro duto, e o ar de exaustão aquece a superfície da segunda câmara. Em determinado momento, a divisória retorna e o ciclo se repete.

Vantagens da unidade de troca de calor de câmara:

• Eficiência – 80-90%;
• em conjunto com um isolamento térmico de qualidade, os custos de aquecimento são reduzidos ao mínimo;
• simplicidade de instalação – a ajuda de especialistas será necessária na escolha dos parâmetros da unidade de ventilação;
• preservação do nível de umidade;
• congelamento do sistema é evitado.

O recuperador de calor de câmara é uma excelente opção para regiões onde, ao longo do ano, há um período prolongado de desequilíbrio significativo entre a temperatura interna e externa.

As desvantagens da unidade de regeneração de calor incluem:

• necessidade de manutenção técnica regular dos elementos móveis;
• as correntes de ar opostas se misturam parcialmente – odores e contaminantes podem retornar ao edifício.

Para reduzir a mistura, o sistema é equipado com um elemento filtrante. O ar fica mais limpo, mas a eficiência do recuperador diminui.

Tubos de calor – sistema fechado de troca de calor

O recuperador consiste em vários tubos de cobre ou alumínio preenchidos com uma substância facilmente evaporável, como freon. O princípio de funcionamento do trocador de calor tubular baseia-se em processos físicos – mudança de estado da substância quando aquecida.

O tubo térmico é colocado verticalmente – a extremidade inferior do trocador de calor no canal de exaustão e a extremidade superior no duto de entrada. Os fluxos de saída contornam a extremidade do tubo – o freon aquece, ferve e evapora (+)

O gás sobe e transfere energia térmica para o fluxo de entrada, após o que o freon se condensa e desce para a parte inferior do recuperador. O ciclo térmico se repete continuamente.

Características técnicas e operacionais do trocador de calor tubular:

• eficiência do dispositivo – até 65%;
• funcionamento silencioso devido à ausência de partes móveis;
• simplicidade da construção e baixa necessidade de manutenção;
• compacidade – dimensões reduzidas e peso leve;
• independência energética – o fluido térmico circula de forma natural;

Uma grande vantagem é que os fluxos de ar de entrada e de retorno não se misturam.

Pontos fracos dos tubos térmicos:

• alto nível de eficiência é alcançado em uma faixa estreita de temperatura – com superaquecimento repentino, todo o freon evapora, e com aquecimento insuficiente, a intensidade da vaporização diminui;
• baixa resistência dos tubos – deformação ou despressurização reduz a capacidade de operação do equipamento.

Os recuperadores tubulares são utilizados em construção residencial, em edifícios administrativos, de escritórios e em pequenas áreas industriais.

Formas de organizar a ventilação recuperativa

A recuperação é organizada de uma das maneiras: centralizada e descentralizada. No primeiro caso, os fluxos de ventilação de todo o ambiente passam pelo trocador de calor; no segundo, de um único cômodo.

Complexo centralizado – unidade de insuflação e exaustão

O sistema centralizado é instalado na fase de construção ou modernização geral do sistema de ventilação.

Seleciona-se uma unidade de ventilação de insuflação e exaustão forçada (UVIE) com recuperador embutido. O principal critério de seleção é a capacidade total do conjunto calculada para todo o volume de ar da edificação (+)

A UVIE com recuperador garante uma troca de ar suficiente mesmo em casas com janelas herméticas. Além disso, os fluxos de ar são distribuídos uniformemente, sem criar correntes de ar.

Completas unidades de ventilação de insuflação e exaustão do tipo monobloco são equipadas com:

• ventiladores – fornecimento contínuo de ar puro e exaustão de jatos saturados com dióxido de carbono;
• aquecedores – pré-aquecimento do ar de entrada;
• filtros – retêm poeira e micropartículas;
• recuperador – podem ser utilizados diferentes tipos de unidades.

A funcionalidade de algumas UVIEs é ampliada com timer de atraso, regulador de potência, sensores de nível de umidade, etc.

O corpo dos modelos monobloco é revestido com material absorvente de som, o que torna o funcionamento da UTV muito silencioso. São possíveis variantes de instalação vertical, horizontal e suspensa.

Os recuperadores de calor monobloco das seguintes marcas têm boa reputação: «Vents» (Ucrânia), Dantherm (Dinamarca), «Daikin» (Japão), «Dantex» (Inglaterra).

Equipamentos locais – complemento ao sistema de ventilação existente

Para restaurar a circulação das massas de ar em um ambiente em uso, os ventiladores descentralizados com recuperação de calor são adequados.

Elas são embutidas na fachada do edifício ou instaladas através da janela. Sua principal tarefa – melhorar a ventilação de insuflação em casa.

Os recuperadores locais possuem ventilador e trocador de calor de placas. A 'manga' da unidade de insuflação é isolada com material absorvente de som. A unidade de controle das unidades compactas de ventilação é colocada na parede interna.

Características dos sistemas de ventilação descentralizados com recuperação:

• Eficiência – 60-96%;
• baixa capacidade – os dispositivos são projetados para garantir a troca de ar em ambientes de até 20-35 m²;
• custo acessível e ampla variedade de unidades, desde válvulas de parede comuns até modelos automatizados com sistema de filtragem de múltiplos estágios e possibilidade de ajuste de umidade;
• facilidade de instalação – para colocar em operação, não é necessário passar dutos de ar, instalar a válvula de parede pode ser feito por conta própria.

Fabricantes populares de recuperadores locais: Prana (Ucrânia), O.Erre (Itália), Blizzard (Alemanha), Vents (Ucrânia), Aerovital (Alemanha).

Critérios importantes para escolher uma unidade de insuflação de parede: espessura admissível da parede, capacidade, eficiência do recuperador, diâmetro do duto de ar e temperatura do meio bombeado.

Conclusões e vídeo útil sobre o tema

Comparação do funcionamento da ventilação natural e do sistema forçado com recuperação:

Princípio de funcionamento do recuperador centralizado, cálculo da eficiência:

Dispositivo e ordem de funcionamento do trocador de calor descentralizado no exemplo da válvula de parede Prana:

Através do sistema de ventilação, cerca de 25-35% do calor sai do ambiente. Para reduzir as perdas e a recuperação eficiente de calor, são utilizados recuperadores. O equipamento climático permite aproveitar a energia das massas de ar exauridas para aquecer o ar de entrada.

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