Ventilazione di mandata e di estrazione con recupero di calore: principio di funzionamento, panoramica dei vantaggi e svantaggi

L'ingresso di aria fresca durante il periodo freddo rende necessario il suo riscaldamento per garantire un corretto microclima negli ambienti. Per minimizzare i costi dell'energia elettrica, può essere utilizzata la ventilazione di mandata e di estrazione con recupero di calore.

Comprendere i principi del suo funzionamento consentirà di ridurre al massimo le perdite di calore mantenendo un volume sufficiente di aria di ricambio. Cerchiamo di analizzare questo argomento.

Risparmio energetico nei sistemi di ventilazione

Nel periodo autunno-primaverile, durante la ventilazione degli ambienti, un grave problema è la grande differenza di temperatura tra l'aria in entrata e quella interna. Il flusso freddo si dirige verso il basso e crea un microclima sfavorevole in case, uffici e ambienti produttivi, o un gradiente termico verticale inaccettabile in un magazzino.

Una soluzione comune al problema è l'integrazione nella ventilazione di immissione di un calorifero, grazie al quale avviene il riscaldamento del flusso. Tale sistema richiede un consumo di energia elettrica, mentre una notevole quantità di aria calda che fuoriesce verso l'esterno comporta perdite di calore significative.

L'uscita dell'aria all'esterno con vapore intenso è un indicatore di notevoli perdite di calore, che potrebbe essere utilizzato per riscaldare il flusso in entrata

Se i condotti di mandata e di estrazione dell'aria sono posizionati uno accanto all'altro, è possibile trasferire parzialmente il calore del flusso in uscita a quello in entrata. Ciò consentirà di ridurre il consumo di energia elettrica dell'aerotermo o di eliminarlo del tutto. Il dispositivo per garantire lo scambio termico tra flussi di gas a temperature diverse è chiamato recuperatore.

Nella stagione calda, quando la temperatura dell'aria esterna supera notevolmente quella interna, è possibile utilizzare il recuperatore per raffreddare il flusso in entrata.

Struttura del blocco con recuperatore

La struttura interna dei sistemi di ventilazione con recuperatore integrato è abbastanza semplice, quindi è possibile acquistare e installare i singoli componenti autonomamente. Nel caso in cui l'assemblaggio o l'installazione autonoma risulti difficoltosa, è possibile acquistare soluzioni già pronte sotto forma di strutture monoblocco standard o strutture prefabbricate personalizzate su ordinazione.

Il tipico schema del dispositivo di un sistema di ventilazione forzata con recuperatore alloggiato in un unico contenitore può essere integrato con altri componenti a discrezione dell'utente.

Elementi principali e loro parametri

Il corpo con isolamento termico ed acustico è solitamente realizzato in lamiera d'acciaio. In caso di montaggio a parete, deve sopportare la pressione generata durante la schiumatura delle fessure attorno al blocco e non deve trasmettere vibrazioni dal funzionamento dei ventilatori.

Nel caso di aspirazione e immissione distribuita dell'aria in diversi ambienti, al corpo vengono collegati sistemi di condotti d'aria, dotati di valvole e serrande per la distribuzione dei flussi.

In assenza di condotti, sulla bocca di mandata lato ambiente si installa una griglia o un diffusore per distribuire il flusso d'aria. Sulla bocca di mandata lato esterno si monta una griglia di presa d'aria esterna per evitare l'ingresso nel sistema di ventilazione di uccelli, grossi insetti e detriti.

Il movimento dell'aria è garantito da due ventilatori di tipo assiale o centrifugo. In presenza di un recuperatore, la circolazione naturale dell'aria in volume sufficiente non è possibile a causa della resistenza aerodinamica generata da questo componente.

La presenza del recuperatore richiede l'installazione di filtri a maglia fine all'ingresso di entrambi i flussi. Ciò è necessario per ridurre l'intensità dell'ostruzione dei canali sottili dello scambiatore di calore con polvere e depositi grassi. Altrimenti, per il corretto funzionamento del sistema, sarà necessario aumentare la frequenza degli interventi di manutenzione preventiva.

I filtri a maglia fine devono essere periodicamente sostituiti o puliti. Altrimenti, l'aumento della resistenza al flusso d'aria causerà la rottura dei ventilatori.

Uno o più recuperatori occupano la maggior parte del volume del dispositivo di ventilazione forzata. Vengono montati al centro della struttura.

In caso di forti gelate tipiche del territorio e di efficienza insufficiente del recuperatore per riscaldare l'aria esterna, è possibile installare un ulteriore aerotermo. Allo stesso modo, se necessario, si montano un umidificatore, un ionizzatore e altri dispositivi per creare un microclima favorevole nell'ambiente.

I modelli moderni prevedono la presenza di un'unità di controllo elettronico. Le modifiche complesse hanno funzioni di programmazione delle modalità operative in base ai parametri fisici dell'aria ambiente. I pannelli esterni hanno un aspetto attraente, grazie al quale possono essere ben inseriti in qualsiasi arredamento dell'ambiente.

Soluzione al problema della formazione di condensa

Il raffreddamento dell'aria proveniente dall'ambiente crea le condizioni per la rimozione dell'umidità e la formazione di condensa. In caso di flusso ad alta velocità, gran parte di essa non fa in tempo ad accumularsi nel recuperatore e fuoriesce all'esterno. Con un movimento lento dell'aria, una parte considerevole dell'acqua rimane all'interno del dispositivo. Pertanto, è necessario garantire la raccolta dell'umidità e la sua evacuazione all'esterno del corpo del sistema di immissione ed estrazione.

Il dispositivo elementare per la raccolta e lo scarico della condensa è un vassoio situato sotto il recuperatore con una pendenza verso il foro di drenaggio

Lo scarico dell'umidità avviene in un contenitore chiuso. Viene posizionato solo all'interno dell'ambiente per evitare il congelamento dei canali di scarico a temperature sotto zero. Non esiste un algoritmo affidabile per calcolare il volume d'acqua ottenuta utilizzando sistemi con recuperatore, pertanto viene determinato sperimentalmente.

Il riutilizzo della condensa per l'umidificazione dell'aria è sconsigliato, poiché l'acqua assorbe molti contaminanti, come il sudore umano, gli odori, ecc.

È possibile ridurre notevolmente il volume di condensa ed evitare i problemi ad essa associati organizzando un sistema di scarico separato per il bagno e la cucina. Proprio in questi ambienti l'aria ha la maggiore umidità. In presenza di più sistemi di scarico, il ricambio d'aria tra la zona tecnica e quella abitativa deve essere limitato mediante l'installazione di valvole di non ritorno.

In caso di raffreddamento del flusso d'aria in uscita a temperature negative all'interno del recuperatore, la condensa si trasforma in ghiaccio, causando una riduzione della sezione di passaggio del flusso e, di conseguenza, una diminuzione del volume o la completa interruzione della ventilazione.

Per lo sbrinamento periodico o una tantum del recuperatore si installa un bypass – un canale di deviazione per il movimento dell'aria di mandata. Quando il flusso viene deviato bypassando il dispositivo, cessa lo scambio termico, lo scambiatore di calore si riscalda e il ghiaccio passa allo stato liquido. L'acqua defluisce nel contenitore di raccolta della condensa o evapora all'esterno.

Il principio costruttivo del bypass non è complesso, pertanto, in caso di rischio di formazione di ghiaccio, è opportuno prevedere tale soluzione, poiché lo sbrinamento del recuperatore con altri metodi è complicato e lungo.

Quando il flusso passa attraverso il bypass, non vi è riscaldamento dell'aria di mandata tramite il recuperatore. Pertanto, all'attivazione di questa modalità, è necessario l'accensione automatica del calorifero.

Caratteristiche dei diversi tipi di recuperatori

Esistono diverse opzioni strutturalmente differenti per realizzare lo scambio termico tra flussi d'aria fredda e riscaldata. Ciascuna di esse ha le proprie caratteristiche distintive, che determinano lo scopo principale per ogni tipo di recuperatore.

Recuperatore a piastre a flusso incrociato

Alla base della struttura del recuperatore a piastre vi sono pannelli a parete sottile collegati alternativamente in modo da alternare il passaggio tra di essi di flussi a temperature diverse con un angolo di 90 gradi. Una delle modifiche di questo modello è un dispositivo con canali alettati per il passaggio dell'aria. Esso possiede un coefficiente di scambio termico più elevato.

Il passaggio alternato di flusso d'aria calda e fredda attraverso le piastre viene realizzato piegando i bordi delle piastre e sigillando i giunti con resina poliestere.

I pannelli per lo scambio termico possono essere realizzati in diversi materiali:

• rame, ottone e leghe a base di alluminio hanno una buona conducibilità termica e non sono soggetti a ruggine;
• plastica in materiale polimerico idrofobo con alto coefficiente di conducibilità termica ha un peso ridotto;
• la cellulosa igroscopica permette alla condensa di penetrare attraverso la piastra e tornare nell'ambiente.

Lo svantaggio è la possibilità di formazione di condensa a basse temperature. A causa della piccola distanza tra le piastre, l'umidità o il ghiaccio aumentano notevolmente la resistenza aerodinamica. In caso di congelamento, è necessario interrompere il flusso d'aria in entrata per sbrinare le piastre.

I vantaggi dei recuperatori a piastre sono i seguenti:

• basso costo;
• lunga durata;
• lungo intervallo tra gli interventi di manutenzione preventiva e semplicità di esecuzione;
• dimensioni e peso ridotti.

Questo tipo di recuperatore è il più diffuso per ambienti residenziali e uffici. Viene utilizzato anche in alcuni processi tecnologici, ad esempio per ottimizzare la combustione del carburante durante il funzionamento dei forni.

Tipo a tamburo o rotativo

Il principio di funzionamento del recuperatore rotativo si basa sulla rotazione di uno scambiatore di calore, all'interno del quale sono disposti strati di metallo ondulato ad elevata capacità termica. In seguito all'interazione con il flusso in uscita, il settore del tamburo viene riscaldato, che successivamente cede calore all'aria in ingresso.

Lo scambiatore di calore a maglie fini del recuperatore rotativo è soggetto a intasamento, pertanto è necessario prestare particolare attenzione al corretto funzionamento dei filtri di fine pulizia.

I vantaggi dei recuperatori rotativi sono i seguenti:

• un rendimento piuttosto elevato rispetto ai tipi concorrenti;
• restituzione di una grande quantità di umidità, che sotto forma di condensa rimane sul tamburo ed evapora a contatto con l'aria secca in entrata.

Questo tipo di recuperatore viene utilizzato meno frequentemente per edifici residenziali, in caso di ventilazione per appartamenti o villette. Spesso viene impiegato in grandi centrali termiche per recuperare calore verso i forni o per ambienti estesi di destinazione industriale o commerciale/di intrattenimento.

Tuttavia, questo tipo di dispositivi presenta svantaggi significativi:

• costruzione relativamente complessa con presenza di parti mobili, comprendente un motore elettrico, un tamburo e una trasmissione a cinghia, che richiede manutenzione costante;
• aumento del livello di rumore.

A volte per dispositivi di questo tipo si può incontrare il termine “scambiatore di calore rigenerativo”, che è più corretto di “recuperatore”. Il fatto è che una piccola parte dell'aria in uscita rientra a causa di una non perfetta aderenza del tamburo al corpo della costruzione.

Questo impone ulteriori limitazioni alla possibilità di utilizzare dispositivi di questo tipo. Ad esempio, come fluido termovettore non si può utilizzare aria inquinata proveniente dalle stufe di riscaldamento.

Sistema basato su tubi e involucro

Il recuperatore di tipo tubolare è costituito da un sistema di tubicini a parete sottile di piccolo diametro, disposti in un mantello coibentato, attraverso i quali avviene l'afflusso di aria esterna. Attraverso il mantello si effettua lo scarico della massa d'aria calda dall'ambiente, che riscalda il flusso in entrata.

Lo scarico dell'aria calda va effettuato proprio attraverso il mantello, e non attraverso il sistema di tubi, poiché da questi è impossibile rimuovere la condensa.

I principali vantaggi dei recuperatori tubolari sono i seguenti:

• elevato rendimento, grazie al principio di movimento controcorrente del fluido termovettore e dell'aria in entrata;
• semplicità di costruzione e assenza di parti mobili garantiscono un basso livello di rumore e una rara necessità di manutenzione;
• lunga durata;
• la sezione più piccola tra tutti i tipi di dispositivi di recupero.

I tubi per un dispositivo di questo tipo sono in metallo leggero o, più raramente, in materiale polimerico. Questi materiali non sono igroscopici, quindi con una notevole differenza di temperatura tra i flussi è possibile la formazione di condensa intensa nel mantello, che richiede una soluzione costruttiva per la sua rimozione. Un altro svantaggio è che il contenuto metallico ha un peso considerevole, nonostante le dimensioni ridotte.

La semplicità di costruzione del recuperatore tubolare rende questo tipo di dispositivi popolare per la realizzazione fai-da-te. Come mantello esterno si utilizzano solitamente tubi di plastica per condotti d'aria, coibentati con un guscio in poliuretano espanso.

Dispositivo con fluido termovettore intermedio

Talvolta i condotti di mandata e di estrazione sono posizionati a una certa distanza l'uno dall'altro. Questa situazione può verificarsi a causa di particolarità tecniche dell'edificio o di requisiti sanitari per una sicura separazione dei flussi d'aria.

In questo caso si utilizza un fluido termovettore intermedio che circola tra i condotti dell'aria attraverso un tubo isolato. Come mezzo per il trasferimento dell'energia termica si utilizza acqua o una soluzione di acqua e glicole, la cui circolazione è garantita dal funzionamento di una pompa di calore.

Il recuperatore con fluido termovettore intermedio è un dispositivo voluminoso e costoso, il cui impiego è economicamente giustificato per ambienti con grandi superfici.

Nel caso in cui sia possibile utilizzare un altro tipo di recuperatore, è meglio non impiegare il sistema con fluido termovettore intermedio, poiché presenta i seguenti notevoli svantaggi:

• basso rendimento rispetto ad altri tipi di dispositivi, pertanto per piccoli ambienti con portata d'aria ridotta tali dispositivi non vengono utilizzati;
• volume e peso notevoli dell'intero sistema;
• necessità di una pompa elettrica aggiuntiva per la circolazione del fluido;
• rumore elevato dovuto al funzionamento della pompa.

Esiste una modifica di questo sistema in cui, invece della circolazione forzata del fluido termovettore, si utilizza un mezzo a basso punto di ebollizione, come il freon. In questo caso il movimento nel circuito può avvenire in modo naturale, ma solo se il condotto di mandata è posizionato sopra quello di estrazione.

Un tale sistema non richiede costi aggiuntivi di energia elettrica, ma funziona per il riscaldamento solo in presenza di un notevole salto termico. Inoltre, è necessaria una regolazione precisa del punto di cambiamento di stato del fluido termovettore, che può essere ottenuta creando la pressione necessaria o una specifica composizione chimica.

Principali parametri tecnici

Conoscendo la portata richiesta del sistema di ventilazione e il rendimento dello scambio termico del recuperatore, è facile calcolare il risparmio sul riscaldamento dell'aria per un ambiente in specifiche condizioni climatiche. Confrontando il potenziale beneficio con i costi di acquisto e manutenzione del sistema, si può scegliere motivatamente tra recuperatore e riscaldatore standard.

Spesso i produttori di apparecchiature offrono una gamma di modelli in cui i blocchi di ventilazione con funzionalità simili differiscono per il volume di ricambio d'aria. Per gli ambienti residenziali questo parametro deve essere calcolato secondo la tabella 9.1. SP 54.13330.2016

Coefficiente di rendimento

Per coefficiente di rendimento del recuperatore si intende l'efficienza dello scambio termico, che viene calcolata con la seguente formula:

K = (T_p – T_n) / (T_v – T_n)

In cui:

• T_p – temperatura dell'aria in ingresso all'interno dell'ambiente;
• T_n – temperatura dell'aria esterna;
• T_v – temperatura dell'aria interna.

Il valore massimo del rendimento alla velocità del flusso d'aria standard e a un determinato regime di temperatura è indicato nella documentazione tecnica del dispositivo. Il suo valore reale sarà leggermente inferiore.

In caso di fabbricazione autonoma di un recuperatore a piastre o a tubi, per ottenere la massima efficienza di scambio termico è necessario attenersi alle seguenti regole:

• Il miglior scambio termico è fornito dai dispositivi a flusso controcorrente, poi da quelli a flusso incrociato, e il minimo da quelli con movimento unidirezionale di entrambi i flussi.
• L'intensità dello scambio termico dipende dal materiale e dallo spessore delle pareti che separano i flussi, nonché dalla durata della permanenza dell'aria all'interno del dispositivo.

Conoscendo il rendimento del recuperatore, è possibile calcolare la sua efficienza energetica a diverse temperature dell'aria esterna e interna:

E (W) = 0,36 x R x K x (T_v – T_n)

dove R (m³/h) – portata d'aria.

Il calcolo dell'efficienza del recuperatore in termini monetari e il confronto con i costi di acquisto e installazione per un cottage a due piani con una superficie totale di 270 m2 mostra l'opportunità di installare un tale sistema.

Il costo dei recuperatori con alto rendimento è piuttosto elevato, hanno una struttura complessa e dimensioni considerevoli. Talvolta è possibile aggirare questi problemi installando diversi dispositivi più semplici in modo tale che l'aria in entrata li attraversi in sequenza.

Portata del sistema di ventilazione

Il volume d'aria trasportato è determinato dalla pressione statica, che dipende dalla potenza del ventilatore e dai componenti principali che creano resistenza aerodinamica. Di norma, un suo calcolo preciso è impossibile a causa della complessità del modello matematico, pertanto per le strutture monoblocco standard vengono condotte ricerche sperimentali, mentre per i dispositivi individuali si effettua la selezione dei componenti.

La potenza del ventilatore deve essere scelta tenendo conto della capacità di portata dei recuperatori installati di qualsiasi tipo, che nella documentazione tecnica è indicata come velocità del flusso raccomandata o volume d'aria trasportato dal dispositivo per unità di tempo. Di norma, la velocità dell'aria consentita all'interno del dispositivo non supera il valore di 2 m/s.

In caso contrario, ad alte velocità negli elementi stretti del recuperatore si verifica un rapido aumento della resistenza aerodinamica. Ciò comporta sprechi di energia elettrica, un riscaldamento inefficiente dell'aria esterna e una riduzione della durata di vita dei ventilatori.

Il grafico della dipendenza della perdita di pressione dalla velocità del flusso d'aria per diversi modelli di recuperatori ad alta efficienza mostra una crescita non lineare della resistenza, pertanto è necessario attenersi ai requisiti riguardanti il volume di ricambio d'aria raccomandato indicati nella documentazione tecnica del dispositivo.

Il cambiamento della direzione del flusso d'aria crea una resistenza aerodinamica aggiuntiva. Pertanto, durante la modellazione della geometria del condotto all'interno dell'ambiente, è consigliabile ridurre al minimo il numero di curve dei tubi di 90 gradi. Anche i diffusori per la dispersione dell'aria aumentano la resistenza, quindi è consigliabile non utilizzare elementi con motivi complessi.

I filtri e le griglie sporchi creano notevoli ostacoli al movimento del flusso, pertanto è necessario pulirli o sostituirli periodicamente. Uno dei modi efficaci per valutare l'ostruzione è l'installazione di sensori che monitorano la differenza di pressione tra le sezioni prima e dopo il filtro.

Conclusioni e video utili sull'argomento

Principio di funzionamento del recuperatore rotativo e a piastre:

Misurazione dell'efficienza del recuperatore a piastre:

I sistemi di ventilazione domestici e industriali con recuperatore integrato hanno dimostrato la loro efficienza energetica nel mantenere il calore all'interno degli ambienti. Attualmente esistono molte offerte per la vendita e l'installazione di tali dispositivi, sia sotto forma di modelli già pronti e collaudati, sia su misura. È possibile eseguire il calcolo dei parametri necessari e l'installazione in modo autonomo.

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