Recupero di calore nei sistemi di ventilazione: principio di funzionamento e varianti di realizzazione

Nel processo di ventilazione, non solo l'aria esausta viene smaltita, ma anche una parte dell'energia termica. In inverno, ciò comporta un aumento delle bollette energetiche.

Ridurre le spese ingiustificate, senza compromettere il ricambio d'aria, è possibile con il recupero di calore nei sistemi di ventilazione di tipo centralizzato e locale. Per rigenerare l'energia termica vengono utilizzati diversi tipi di scambiatori di calore – i recuperatori.

Nell'articolo vengono descritti in dettaglio i modelli degli aggregati, le loro caratteristiche costruttive, i principi di funzionamento, i vantaggi e gli svantaggi. Le informazioni fornite aiuteranno a scegliere l'opzione ottimale per l'allestimento del sistema di ventilazione.

Concetto di recupero: principio di funzionamento dello scambiatore di calore

In traduzione dal latino, il recupero significa risarcimento o riottenimento. Per quanto riguarda le reazioni di scambio termico, il recupero è caratterizzato come un parziale ritorno dell'energia spesa per svolgere un'azione tecnologica, allo scopo di riutilizzarla nello stesso processo.

In un sistema di ventilazione il principio di recupero viene utilizzato per risparmiare energia termica.

Per analogia, avviene il recupero del raffreddamento nella stagione calda – le masse di aria calda in ingresso riscaldano l'aria esausta in uscita e la loro temperatura si abbassa.

Il processo di rigenerazione dell'energia avviene nello scambiatore di calore a recupero. Il dispositivo prevede un elemento di scambio termico e ventilatori per far circolare flussi d'aria in direzioni opposte. Per la gestione del processo e il controllo della qualità dell'aria immessa viene utilizzato un sistema automatico.

La struttura è progettata in modo che i flussi di immissione e di estrazione si trovino in compartimenti separati e non si mescolino – il recupero del calore avviene attraverso le pareti dello scambiatore.

Per capire cos'è la ventilazione con recupero, aiuterà uno schema chiaro della circolazione dell'aria.

Attraverso le cappe nei locali umidi (toilette, bagno, cucina) avviene il deflusso dell'aria viziata. Prima di essere espulsa all'esterno, passa attraverso il recuperatore e lascia parte del calore. L'aria immessa si muove in direzione opposta, si riscalda e viene convogliata nelle stanze abitate (+)

Utilità del recuperatore nella ventilazione

Si può parlare dell'opportunità di installare una ventilazione a recupero valutando l'efficienza del sistema e confrontando i suoi vantaggi con gli svantaggi.

Dall'aria viziata estratta all'esterno viene prelevata una parte del calore e trasferita ai flussi d'aria fresca immessa, diretti all'interno del locale. Ciò consente di ridurre le perdite di calore fino al 70% (+)

La necessità di utilizzare il recupero di calore è più rilevante negli edifici con estrazione forzata dell'aria. Di solito si tratta di edifici a bassa inerzia termica, costruiti con tecnologie innovative di isolamento termico (case in pannelli sandwich, lastre di silicato di gas, blocchi di schiuma).

In tali costruzioni le pareti accumulano male il calore e il ricambio d'aria naturale è poco efficace.

Tuttavia, i problemi di circolazione dell'aria sono tipici anche degli edifici «tradizionali» in mattoni e cemento. La presenza di finestre in PVC ermetiche termo-acustiche blocca la circolazione naturale: l'afflusso di aria fresca si ferma e il tiraggio nel condotto di ventilazione si inverte o tende a zero.

La soluzione al problema delle «finestre europee» – l'organizzazione della ventilazione forzata. Il sistema ripristina il ricambio d'aria, ma le perdite di calore aumentano fino al 60%. E qui non si può fare a meno del recupero termico.

L'efficienza del processo di scambio è espressa in percentuale e indica la quantità di calore prelevato dall'aria di scarico per riscaldare l'aria fresca di immissione.

Indice di rendimento del recupero termico ventilato:

• 0% – finestra aperta: l'aria calda viene espulsa nell'atmosfera e l'aria fredda entra, abbassando la temperatura ambiente;
• 100% – l'aria di immissione viene riscaldata alla temperatura dell'aria di scarico – tecnicamente impossibile da realizzare;
• 30-90% – parametro accettabile; si considera buona una recuperazione con efficienza del 60% o superiore; un rendimento superiore all'80% indica uno scambio termico eccellente.

L'efficienza del sistema dipende dal tipo di recuperatore, dalle dimensioni dell'ambiente e dalla portata d'aria. In ogni caso, l'uso di una ventilazione con recupero, anche con un rendimento del 30%, è più vantaggioso della sua assenza. Oltre a un notevole risparmio energetico, la «rigenerazione» del calore migliora il microclima generale dell'ambiente.

Svantaggi dell'uso dello scambiatore di calore:

1. Dipendenza energetica. L'acquisto di apparecchiature climatiche è giustificato se il consumo di elettricità è significativamente inferiore al risparmio ottenuto dopo l'installazione del recuperatore.
2. Formazione di condensa. A causa della differenza di temperatura, sulle pareti dello scambiatore può condensare umidità. In inverno c'è il rischio di formazione di ghiaccio, che comporta una rapida riduzione dell'efficienza o il guasto del recuperatore.
3. Funzionamento rumoroso. Alcuni modelli durante l'uso emettono un ronzio. Se di giorno questo difetto non è particolarmente percepibile, di notte il rumore causa discomfort. I recuperatori con isolamento migliorato funzionano silenziosamente.

Gli elevati investimenti iniziali sono spesso il principale argomento contro la ventilazione energeticamente efficiente.

È opportuno investire in un sistema che si ripaghi entro 5-8 anni. Bisogna considerare che per la manutenzione del complesso si dovranno sostenere costi aggiuntivi, ad esempio la sostituzione periodica dei ventilatori.

Caratteristiche dei diversi tipi di scambiatori di calore

La struttura del recuperatore determina lo schema del flusso del termovettore, l'efficienza del sistema di ventilazione, la classe di consumo energetico e il costo dell'apparecchiatura. Vengono utilizzati cinque tipi di scambiatori di calore: a piastre, rotativo, tubi di calore, dispositivi a camera e modelli con termovettore intermedio.

Recuperatore a piastre – semplicità di costruzione

La base dello scambiatore di calore è una camera ermetica con numerosi condotti d'aria paralleli. I canali sono separati da divisori – piastre termoconduttrici, realizzate in acciaio o alluminio.

Le piastre ondulate (60-70 pezzi) sono raggruppate in un unico blocco in modo che i canali formati siano disposti trasversalmente l'uno all'altro – la turbolenza creata migliora lo scambio termico (+)

I flussi di gas si muovono l'uno verso l'altro, si incrociano nella cassetta del recuperatore, ma non si mescolano. Lo scambio termico avviene grazie al raffreddamento e riscaldamento simultanei delle piastre da lati opposti.

Vantaggi dello scambiatore di calore incrociato:

• semplicità di montaggio e regolazione dell'apparecchiatura;
• esclusione del contatto tra le masse d'aria;
• costo accessibile e dimensioni compatte;
• assenza di parti in attrito e parti mobili.

L'indice di efficienza varia nell'intervallo 40-70%.

Lo svantaggio principale del modello a piastre è la formazione di condensa nel canale di estrazione e la formazione di ghiaccio in inverno. Per sbrinare l'unità, il flusso in entrata viene deviato attorno allo scambiatore di calore e il flusso caldo in uscita scioglie il ghiaccio sulle piastre.

In modalità 'sbrinamento' non si verifica risparmio energetico; per riscaldare l'aria in entrata vengono utilizzati caloriferi con potenza fino a 5 kW. Il valore medio del rendimento diminuisce del 20% (+)

Sono possibili due soluzioni al problema:

1. Preriscaldamento del flusso d'aria in entrata a una temperatura tale da escludere la formazione di ghiaccio.
2. Recuperatore con piastre in cellulosa igroscopica. Il materiale assorbe l'umidità dalle masse d'aria esauste e la trasferisce ai flussi in entrata.

Nella scelta dello scambiatore di calore incrociato, è necessario tenere conto delle caratteristiche operative delle piastre.

Le loro caratteristiche dipendono dal materiale di fabbricazione:

1. Foglio di alluminio – costo accessibile, ma resa limitata in inverno. Inoltre, non è consigliato per ambienti residenziali a causa dell'essiccazione dell'aria. Le varianti con 'ripieno' di alluminio – sono l'opzione ottimale per saune e piscine.
2. Divisori in plastica – hanno un prezzo simile ai prodotti metallici, ma si distinguono per una migliore efficienza operativa.
3. Scambiatore di calore in cellulosa – previene il congelamento e mantiene un normale contenuto di umidità all'interno dell'ambiente.

Il recuperatore in igrocellulosa è il più economico e ottimale per la ventilazione degli edifici residenziali.

Recuperatore rotativo – alta efficienza del sistema

Lo scambiatore di calore si presenta come un cilindro riempito con strati di metallo ondulato. Durante la rotazione del tamburo, in ciascun compartimento entrano alternativamente getti d'aria calda o fredda.

Costruzione del recuperatore rotativo: albero di rotazione e due canali d'aria. Una sezione del rotore viene riscaldata dall'aria di scarico, il tamburo ruota e il calore viene reindirizzato alle masse fredde concentrate nel canale adiacente (+)

Il rendimento dello scambio termico è determinato dalla velocità di rotazione del rotore; l'efficienza operativa può essere regolata.

Argomenti a favore del recuperatore rotativo:

• recupero del calore fino al 65-90%;
• efficienza nel consumo di energia elettrica;
• recupero parziale dell'umidità – si può fare a meno dell'umidificatore;
• periodo di ammortamento – fino a 4 anni.

Nonostante l'elevata efficienza, lo scambiatore di calore a tamburo non è diventato il leader tra installazioni simili.

Svantaggi del sistema di ventilazione:

1. Miscelazione di aria inquinata nell'immissione. Attraverso i microcanali circolano alternativamente masse di estrazione e di immissione, quindi circa il 3-8% dell'aria di scarico ritorna indietro. Il tamburo trasmette spesso l'odore dell'aria in uscita.
2. Complessità della costruzione. Le parti rotanti del rotore necessitano di manutenzione regolare e sostituzione periodica. Gli elementi in movimento durante il funzionamento emettono rumore e vibrazioni.
3. Costo elevato. Il prezzo dei modelli rotativi è superiore a quello dei prodotti a piastre. Ciò è dovuto all'uso di meccanica complessa nella costruzione dello scambiatore di calore a tamburo.
4. Dimensioni grandi. L'installazione avviene in un'ampia camera di ventilazione.

A causa dell'ingombro, le unità rotative sono utilizzate principalmente in impianti industriali.

Per minimizzare la miscelazione dei flussi d'aria, i recuperatori rotativi sono dotati di settori intermedi – qui i microcanali vengono spurgati con aria fresca che viene poi reimmessa nell'estrazione. Svantaggio dello schema: riduzione del rendimento (+)

Scambiatori di calore collegati – modello al glicole

L'unità di recupero con fluido termovettore intermedio, per le sue caratteristiche costruttive, è spesso chiamata scambiatori di calore accoppiati o unità al glicole. È uno dei sistemi di recupero termico più flessibili. Uno scambiatore è inserito nel canale di immissione, l'altro in quello di estrazione.

Nello schema di collegamento sono presenti: pompa di circolazione, vaso di espansione, valvola dell'aria, controller, sensore di temperatura, valvola di sicurezza, indicatore di pressione (+)

Principio di funzionamento. Il liquido glicolico circola tra gli scambiatori di calore. La temperatura del fluido termovettore aumenta grazie al flusso di scarico riscaldato, quindi l'energia termica viene trasferita all'aria fresca. Il sistema chiuso impedisce la miscelazione delle masse d'aria opposte.

Caratteristiche di funzionamento degli scambiatori di calore con fluido termovettore:

• Efficienza – 45-55%;
• regolazione dell'efficienza tramite pompa – si sceglie la velocità di circolazione dell'antigelo;
• possibilità di posizionare i condotti di mandata e di estrazione distanti l'uno dall'altro (fino a 800 m);
• il montaggio del recuperatore viene effettuato verticalmente o orizzontalmente;
• con forte gelo la superficie dello scambiatore di calore di estrazione ghiaccia – si forma del ghiaccio; l'uso dell'antigelo consente di utilizzare il recuperatore senza dover ricorrere allo sbrinamento;
• periodo di ammortamento del sistema – fino a 2 anni;
• è consentita la combinazione di 1 estrazione e più immissioni, o viceversa.

Il volume di aria estratta e immessa deve essere approssimativamente uguale. Tali recuperatori vengono solitamente utilizzati se l'afflusso è tossico o fortemente inquinato, quando la miscelazione dei flussi non è ammissibile.

Unità a camera – versatilità di applicazione

Strutturalmente, lo scambiatore di calore a camera è una scatola chiusa, divisa internamente da una serranda mobile. Il tramezzo apribile determina lo schema di funzionamento del recuperatore.

Il flusso di scarico passa lungo un canale, mentre l'afflusso entra nella seconda camera. Nello scambiatore di calore, le masse calde riscaldano le pareti del primo compartimento. Dopo un certo tempo, la serranda si sposta e il flusso d'aria cambia direzione

Di conseguenza, l'afflusso si muove lungo le pareti calde del primo condotto, mentre l'aria di scarico riscalda la superficie della seconda camera. In un determinato momento, il tramezzo torna indietro e il ciclo si ripete.

Vantaggi dell'unità di scambio termico a camera:

• Efficienza – 80-90%;
• in tandem con un buon isolamento termico, le spese di riscaldamento sono ridotte al minimo;
• semplicità di installazione – l'aiuto di specialisti sarà necessario per scegliere i parametri dell'unità di ventilazione;
• mantenimento del livello di umidità;
• nessuna formazione di ghiaccio sul sistema.

Il recuperatore a camera è un'ottima opzione per le regioni dove, durante l'anno, si osserva per un lungo periodo un significativo squilibrio tra la temperatura interna e quella esterna.

Tra gli svantaggi dell'unità di recupero del calore si annoverano:

• necessità di una manutenzione regolare degli elementi mobili;
• i flussi d'aria opposti si mescolano parzialmente – odori e impurità possono rientrare nell'edificio.

Per ridurre la miscelazione, il sistema è dotato di un elemento filtrante. L'aria diventa più pulita, ma l'efficienza del recuperatore diminuisce.

Tubi di calore – sistema di scambio termico chiuso

Il recuperatore è composto da numerosi tubi di rame o alluminio, riempiti con una sostanza facilmente evaporabile, ad esempio freon. Il principio di funzionamento dello scambiatore di calore tubolare si basa su processi fisici – il cambiamento di stato della sostanza quando viene riscaldata.

Il termotubo è posizionato verticalmente – l'estremità inferiore dello scambiatore si trova nel canale di estrazione, mentre la parte superiore si trova nel condotto di mandata. I flussi in uscita avvolgono l'estremità del tubo – il freon si riscalda, bolle ed evapora (+)

Il gas sale e cede energia termica all'aria di mandata, dopodiché il freon si condensa e scorre verso il basso del recuperatore. Il ciclo termico si ripete in modo circolare.

Caratteristiche tecniche e operative dello scambiatore di calore tubolare:

• efficienza del dispositivo – fino al 65%;
• silenziosità di funzionamento grazie all'assenza di parti in movimento;
• semplicità costruttiva e bassa manutenzione;
• compattezza – dimensioni ridotte e peso contenuto;
• indipendenza energetica – il fluido termovettore circola in modo naturale;

Un importante vantaggio è che i flussi d'aria di mandata e di estrazione non si mescolano.

Punti deboli dei tubi termici:

• elevato livello di rendimento viene raggiunto in un ristretto intervallo di temperature – in caso di surriscaldamento improvviso tutto il freon evapora, mentre con riscaldamento insufficiente l'intensità di evaporazione rallenta;
• bassa resistenza dei tubi – la deformazione o la perdita di tenuta riducono l'efficienza dell'apparecchiatura.

I recuperatori tubolari vengono utilizzati nell'edilizia residenziale, in edifici amministrativi, uffici e piccole aree industriali.

Modalità di organizzazione della ventilazione recuperativa

Il recupero viene realizzato in uno dei seguenti modi: centralizzato o decentralizzato. Nel primo caso, attraverso lo scambiatore passano i flussi di ventilazione dell'intero ambiente, nel secondo – di una singola stanza.

Complesso centralizzato – unità di mandata e estrazione

Il sistema centralizzato viene installato in fase di costruzione o di ristrutturazione completa dell'impianto di ventilazione.

Viene selezionata un'unità di ventilazione forzata (UVF) con recuperatore integrato. Il criterio principale di scelta è la portata totale del sistema calcolata sull'intero volume d'aria dell'edificio (+)

L'UVF con recuperatore garantisce un ricambio d'aria sufficiente anche in case con finestre ermetiche. Inoltre, i flussi d'aria vengono distribuiti uniformemente, senza creare correnti d'aria.

Le unità di ventilazione forzata e di estrazione di tipo monoblocco sono complete di:

• ventilatori – erogazione continua di aria pulita ed espulsione di flussi saturi di anidride carbonica;
• riscaldatori – preriscaldamento dell'aria di mandata;
• filtri – trattengono polvere e microparticelle;
• recuperatore – possono essere utilizzati diversi tipi di apparecchiature.

La funzionalità di alcune UVF è ampliata con timer di ritardo, regolatore di potenza, sensori di umidità, ecc.

Il corpo dei modelli monoblocco è rivestito con materiale fonoassorbente, rendendo il funzionamento dell'unità di ventilazione molto silenzioso. Sono possibili versioni verticali, orizzontali e sospese delle unità di ventilazione.

Si sono ben affermate le unità di ventilazione monoblocco con recupero di calore prodotte da: Vents (Ucraina), Dantherm (Danimarca), Daikin (Giappone), Dantex (Inghilterra).

Aggregati locali – integrazione al sistema di ventilazione esistente

Per ripristinare la circolazione delle masse d'aria in un ambiente già in uso, sono adatti i ventilatori di mandata decentralizzati con recupero di calore.

Vengono inserite nella facciata dell'edificio o montate attraverso la finestra. Il loro compito principale è migliorare la ventilazione forzata in casa.

Nei recuperatori locali sono previsti un ventilatore e uno scambiatore di calore a piastre. Il 'manicotto' del ventilatore di mandata è isolato con materiale fonoassorbente. Il pannello di controllo delle unità di ventilazione compatte è posizionato sulla parete interna.

Caratteristiche dei sistemi di ventilazione decentralizzati con recupero:

• Rendimento – 60-96%;
• Bassa portata – i dispositivi sono progettati per garantire il ricambio d'aria in ambienti fino a 20-35 m²;
• Costo accessibile e ampia scelta di unità, dalle semplici valvole a parete ai modelli automatizzati con sistema di filtrazione a più stadi e possibilità di regolazione dell'umidità;
• semplicità di installazione – per la messa in servizio non è necessario posare condotti d'aria, è possibile installare autonomamente una valvola a parete.

Produttori popolari di recuperatori locali: Prana (Ucraina), O.Erre (Italia), Blizzard (Germania), Vents (Ucraina), Aerovital (Germania).

Criteri importanti per la scelta del ventilatore di mandata a parete: spessore ammissibile della parete, portata, rendimento del recuperatore, diametro del canale d'aria e temperatura del fluido trasportato.

Conclusioni e video utili sull'argomento

Confronto tra il funzionamento della ventilazione naturale e di un sistema forzato con recupero:

Principio di funzionamento del recuperatore centralizzato, calcolo del rendimento:

Struttura e modalità di funzionamento dello scambiatore di calore decentralizzato sull'esempio della valvola a parete Prana:

Attraverso il sistema di ventilazione, dall'ambiente esce circa il 25-35% del calore. Per ridurre le perdite e un efficace recupero termico, si utilizzano i recuperatori. Le apparecchiature di climatizzazione consentono di sfruttare l'energia delle masse esauste per riscaldare l'aria in entrata.

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