Recuperación de calor en sistemas de ventilación: principio de funcionamiento y opciones de implementación

En el proceso de ventilación, no solo se elimina el aire viciado, sino también una parte de la energía térmica. En invierno, esto conduce al aumento de las facturas de energía.

Para reducir gastos innecesarios sin perjudicar el intercambio de aire, la recuperación de calor en sistemas de ventilación de tipo centralizado y local permite ahorrar. Para la regeneración de energía térmica se utilizan diferentes tipos de intercambiadores de calor: los recuperadores.

En el artículo se describen detalladamente los modelos de los equipos, sus características constructivas, principios de funcionamiento, ventajas y desventajas. La información presentada ayudará a elegir la opción óptima para la instalación del sistema de ventilación.

Concepto de recuperación: principio de funcionamiento del intercambiador de calor

Traducido del latín, recuperación significa compensación o recuperación inversa. En relación con las reacciones de intercambio térmico, la recuperación se caracteriza como la devolución parcial de la energía gastada en la realización de una acción tecnológica para su aplicación en el mismo proceso.

En el sistema de ventilación, el principio de recuperación se utiliza para ahorrar energía térmica.

Por analogía, ocurre la recuperación de enfriamiento en clima cálido: las masas de aire de entrada caliente calientan el aire de salida y su temperatura disminuye.

El proceso de regeneración de energía se realiza en el intercambiador de calor de recuperación. El dispositivo incluye un elemento intercambiador de calor y ventiladores para bombear flujos de aire en direcciones opuestas. Se utiliza un sistema automático para controlar el proceso y la calidad del suministro de aire.

El diseño está desarrollado de modo que los flujos de entrada y extracción estén en compartimentos separados y no se mezclen: la recuperación de calor se realiza a través de las paredes del intercambiador de calor.

Entender y comprender qué es la ventilación con recuperación ayuda un esquema visual de la circulación del aire.

A través de las campanas en habitaciones húmedas (baño, aseo, cocina) se produce la salida del aire viciado. Antes de salir al exterior, pasa por el recuperador y deja parte del calor. El aire suministrado se mueve en dirección opuesta, se calienta y entra en las habitaciones (+)

Conveniencia del recuperador en la ventilación

Se puede hablar sobre la conveniencia de instalar ventilación recuperativa evaluando la eficiencia del sistema y comparando sus ventajas y desventajas.

Del aire viciado extraído al exterior se toma parte del calor y se transfiere a las corrientes frescas inyectadas hacia el interior del local. Esto permite reducir las pérdidas de calor hasta un 70% (+)

La necesidad de usar recuperación de calor es más relevante en edificios con extracción forzada de aire. Por lo general, se trata de construcciones de baja inercia, levantadas con tecnologías innovadoras de aislamiento térmico (casas de paneles sándwich, placas de gas silicato, bloques de espuma).

En tales construcciones, las paredes acumulan mal el calor y el intercambio de aire natural es poco eficaz.

Sin embargo, los problemas de circulación del aire también son característicos de las construcciones «tradicionales» de ladrillo y hormigón. La presencia de ventanas de PVC herméticas de aislamiento térmico y acústico bloquea la circulación natural: el flujo de aire fresco se detiene, y el tiro en el conducto de ventilación se invierte o tiende a cero.

La solución al problema de las «ventanas europeas» – es la organización de la ventilación forzada. El sistema restablece el intercambio de aire, pero con ello las pérdidas de calor aumentan hasta un 60%. Y aquí ya no se puede prescindir de la recuperación de calor.

La eficiencia del proceso de intercambio se expresa en porcentaje y muestra la cantidad de calor gastado del aire de extracción para calentar el aire fresco de suministro.

Indicador del rendimiento de la recuperación de calor en ventilación:

• 0% – ventana abierta: el aire caliente se elimina a la atmósfera y el frío entra, reduciendo la temperatura en el interior;
• 100% – el aire de suministro se calienta hasta la temperatura del aire de extracción – técnicamente imposible de lograr;
• 30-90% – parámetro aceptable; se considera buena una recuperación con eficiencia del 60% o más; un rendimiento superior al 80% – intercambio de calor excelente.

La eficiencia del sistema depende del tipo de recuperador, las dimensiones de la habitación y el caudal de aire. En cualquier caso, el uso de ventilación con recuperación, incluso con un rendimiento del 30%, es más ventajoso que no tenerla. Además de un ahorro significativo en recursos energéticos, la «regeneración» del calor mejora el microclima general en el interior.

Desventajas del uso del intercambiador de calor:

1. Dependencia energética. La compra de equipos climáticos está justificada si el consumo de electricidad es significativamente menor que el ahorro tras la instalación del recuperador.
2. Condensación. Debido a la diferencia de temperaturas en las paredes del intercambiador de calor, puede condensarse humedad. En invierno existe el riesgo de congelación, lo que conlleva una rápida disminución del rendimiento o la avería del recuperador.
3. Funcionamiento ruidoso. Algunos modelos emiten un zumbido durante el funcionamiento. Si de día este inconveniente no se nota mucho, de noche el ruido causa molestias. Los recuperadores con aislamiento mejorado funcionan de forma silenciosa.

Las altas inversiones iniciales suelen ser el principal argumento en contra de la ventilación energéticamente eficiente.

Es conveniente invertir dinero en el sistema que se amortice en un plazo de 5 a 8 años. Hay que tener en cuenta que para el mantenimiento del conjunto se deberán asumir gastos adicionales, por ejemplo, el reemplazo periódico de los ventiladores.

Características de los diferentes tipos de intercambiadores de calor

La construcción del recuperador determina el esquema de movimiento del fluido térmico, la eficiencia del sistema de ventilación, la clase de consumo energético y el costo del equipo. Se utilizan cinco tipos de intercambiadores de calor: de placas, rotativo, tubos de calor, dispositivos de cámara y modelos con fluido térmico intermedio.

Recuperador de placas: simplicidad de diseño

La base del intercambiador de calor es una cámara hermética con múltiples conductos de aire paralelos. Los canales están separados por mamparas – placas conductoras de calor, fabricadas de acero o aluminio.

Las placas onduladas (60-70 unidades) se agrupan en un solo bloque de modo que los canales formados se dispongan de forma transversal entre sí – la turbulencia creada mejora el intercambio de calor (+)

Los flujos de gases se mueven uno hacia el otro, se cruzan en el cassette del recuperador, pero no se mezclan. El intercambio térmico se realiza mediante el enfriamiento y calentamiento simultáneo de las placas desde diferentes lados.

Ventajas del intercambiador de calor de flujo cruzado:

• simplicidad de montaje y ajuste del equipo;
• exclusión del contacto de las masas de aire;
• costo accesible y dimensiones compactas;
• ausencia de piezas en fricción y móviles.

El índice de eficiencia varía en el rango de 40-70%.

El principal inconveniente del modelo de placas es la acumulación de condensado en el conducto de extracción y la formación de hielo en invierno. Para descongelar el equipo, la corriente de entrada se redirige para evitar el intercambiador de calor, y el flujo saliente caliente derrite el hielo en las placas.

En el modo de «descongelación», no se produce ahorro de energía; para calentar el aire entrante se utilizan calentadores eléctricos de hasta 5 kW. El valor promedio del rendimiento disminuye un 20% (+)

Existen dos formas de solucionar el problema:

1. Precalentamiento del flujo de aire entrante a una temperatura en la que se excluye la formación de hielo.
2. Recuperador con placas de celulosa higroscópica. El material absorbe la humedad de las masas de aire de salida y la transfiere a los flujos entrantes.

Al elegir un intercambiador de calor de flujo cruzado, se deben tener en cuenta las características operativas de las placas.

Sus características dependen del material de fabricación:

1. Lámina de aluminio – costo accesible, pero rendimiento limitado en invierno. Además, no se recomienda para espacios residenciales debido a la desecación del aire. Las modificaciones con «relleno» de aluminio – son la opción óptima para saunas y piscinas.
2. Mamparas de plástico – en precio similares a los productos metálicos, pero se distinguen por una eficiencia de trabajo mejorada.
3. Intercambiador de calor de celulosa – evita la congelación y mantiene un contenido de humedad normal dentro del recinto.

El recuperador de higrocelulosa es el más económico y óptimo para la ventilación de edificios residenciales.

Recuperador rotatorio: alta eficiencia del sistema

El intercambiador de calor se presenta en forma de cilindro relleno de capas de metal corrugado. A medida que gira la unidad de tambor, en cada compartimento ingresan alternativamente corrientes de aire caliente o frío.

Construcción del recuperador rotativo: eje de giro y dos conductos de aire. Una sección del rotor se calienta con el aire de escape, el tambor gira y el calor se redirige a las masas frías concentradas en el conducto adyacente (+)

El rendimiento del intercambio de calor se determina por la velocidad de giro del rotor, la eficiencia de trabajo se puede regular.

Argumentos a favor del recuperador rotativo:

• recuperación de calor hasta 65-90%;
• eficiencia en el consumo de energía eléctrica;
• recuperación parcial de humedad – se puede prescindir del humidificador;
• periodo de amortización – hasta 4 años.

A pesar de su alta eficiencia, el intercambiador de calor de tipo tambor no se ha convertido en el líder entre instalaciones similares.

Desventajas del sistema de ventilación:

1. Mezcla de aire contaminado en el suministro. A través de los microcanales circulan alternativamente masas de extracción y suministro, por lo que aproximadamente un 3-8% del aire de escape regresa. El tambor a menudo transmite el olor del aire de salida.
2. Complejidad de construcción. Las partes giratorias del rotor necesitan mantenimiento regular y reemplazo periódico. Los elementos móviles durante el funcionamiento generan ruido y vibración.
3. Alto costo. El precio de los modelos rotativos es más alto que el de los modelos de placas. Esto se debe al uso de mecánica compleja en la construcción del intercambiador de calor de tambor.
4. Grandes dimensiones. La instalación se realiza en una cámara de ventilación espaciosa.

Debido a su volumen, las unidades rotativas se utilizan principalmente en instalaciones industriales.

Para minimizar la mezcla de flujos de aire, los recuperadores rotativos se complementan con sectores intermedios – aquí los microcanales se purgan con aire fresco que vuelve al extractor. Desventaja del esquema: reducción del rendimiento (+)

Intercambiadores de calor acoplados: modelo de glicol

A la unidad de recuperación con fluido intermedio, debido a sus características constructivas, a menudo se le denomina intercambiadores de calor acoplados o unidad de glicol. Es uno de los sistemas de recuperación de calor más flexibles. Un intercambiador se inserta en el conducto de suministro y el segundo en el de extracción.

En el esquema de conexión están presentes: bomba de circulación, vaso de expansión, válvula de aire, controlador, sensor de temperatura, válvula de seguridad, indicador de presión (+)

Principio de funcionamiento. El compuesto de glicol circula entre los intercambiadores de calor. La temperatura del refrigerante aumenta gracias al flujo de extracción calentado, y luego la energía térmica se transfiere al aire fresco. El sistema cerrado evita la mezcla de masas de aire opuestas.

Características de funcionamiento de los intercambiadores de calor con refrigerante:

• Eficiencia – 45-55%;
• Ajuste de la eficiencia mediante una bomba: se selecciona la velocidad del anticongelante;
• Posibilidad de colocar los conductos de aire de suministro y extracción a distancia uno del otro (hasta 800 m);
• La instalación del recuperador se realiza vertical u horizontalmente;
• En heladas intensas, la superficie del intercambiador de calor de extracción se congela, aparece hielo; el uso de anticongelante permite operar el recuperador sin necesidad de descongelación;
• El período de recuperación del sistema es de hasta 2 años;
• Es posible combinar 1 extracción y varios suministros, o viceversa.

El volumen de aire extraído y suministrado debe ser aproximadamente igual. Estos recuperadores se utilizan normalmente cuando el suministro es tóxico o está muy contaminado, cuando no se permite la mezcla de flujos.

Unidad de cámara: versatilidad de aplicación

Estructuralmente, el intercambiador de calor de cámara es una caja cerrada dividida internamente por una compuerta móvil. El tabique que se abre determina el esquema de funcionamiento del recuperador.

El flujo de salida pasa a lo largo de un canal, y el flujo de entrada entra en la segunda cámara. En el intercambiador de calor, las masas calientes calientan las paredes del primer compartimento. Después de un tiempo, la compuerta se mueve y el flujo de aire cambia de dirección

Como resultado, el suministro se mueve a lo largo de las paredes cálidas del primer conducto, y el 'escape' calienta la superficie de la segunda cámara. En un momento determinado, el tabique vuelve a su posición y el ciclo se repite.

Ventajas de la unidad de intercambio de calor de cámara:

• Eficiencia – 80-90%;
• en tándem con un aislamiento térmico de calidad, los costes de calefacción se reducen al mínimo;
• facilidad de instalación: se necesitará ayuda de especialistas al elegir los parámetros de la unidad de ventilación;
• preservación del nivel de humedad;
• se evita la congelación del sistema.

El recuperador de cámara es una excelente opción para regiones donde durante el año hay un período prolongado de desequilibrio significativo entre la temperatura interior y exterior.

Las desventajas de la unidad de recuperación de calor incluyen:

• necesidad de mantenimiento regular de los elementos móviles;
• las corrientes de aire opuestas se mezclan parcialmente: los olores y las impurezas pueden volver al edificio.

Para reducir la mezcla, el sistema se equipa con un elemento filtrante. El aire se vuelve más limpio, pero la eficiencia del recuperador disminuye.

Tubos de calor: sistema cerrado de intercambio térmico

El recuperador consta de muchos tubos de cobre o aluminio llenos de una sustancia fácilmente vaporizable, como el freón. El principio de funcionamiento del intercambiador de calor tubular se basa en procesos físicos: el cambio de estado de la sustancia al calentarse.

El termotubo se coloca verticalmente: el extremo inferior del intercambiador de calor en el conducto de extracción y el superior en el conducto de suministro. Los flujos de salida rodean el extremo del tubo: el freón se calienta, hierve y se evapora (+)

El gas asciende y cede energía térmica al flujo de entrada, después de lo cual el freón se condensa y fluye hacia abajo del recuperador. El ciclo térmico se repite continuamente.

Características técnicas y operativas del intercambiador de calor tubular:

• eficiencia del dispositivo – hasta 65%;
• funcionamiento silencioso gracias a la ausencia de elementos móviles;
• simplicidad de diseño y facilidad de mantenimiento;
• compacidad – dimensiones reducidas y peso ligero;
• independencia energética – el refrigerante circula de forma natural;

Una ventaja importante es que los flujos de aire de entrada y retorno no se mezclan.

Debilidades de los tubos térmicos:

• alto nivel de eficiencia se logra en un rango de temperatura estrecho: con un sobrecalentamiento brusco, todo el freón se evapora, y con un calentamiento insuficiente, la intensidad de evaporación se ralentiza;
• baja resistencia de los tubos – la deformación o despresurización reduce la capacidad de funcionamiento del equipo.

Los recuperadores tubulares se utilizan en la construcción privada, en edificios administrativos, de oficinas y en pequeñas áreas industriales.

Formas de organizar la ventilación con recuperación

La recuperación se organiza de una de las siguientes maneras: centralizada y descentralizada. En el primer caso, los flujos de ventilación de toda la instalación pasan a través del intercambiador de calor, en el segundo, de una sola habitación.

Sistema centralizado: unidad de ventilación de suministro y extracción

El sistema centralizado se instala durante la fase de construcción o modernización importante del sistema de ventilación.

Se selecciona una unidad de suministro y extracción forzada (USE) con un recuperador integrado. El criterio principal de selección es el rendimiento total del sistema calculado para todo el volumen de aire del edificio (+)

La USE con recuperador asegura un intercambio de aire suficiente incluso en casas con ventanas herméticas. Además, los flujos de aire se distribuyen uniformemente, sin crear corrientes de aire.

Las unidades de ventilación de suministro y extracción de tipo monobloque están equipadas con:

• ventiladores – suministro continuo de aire limpio y expulsión de corrientes saturadas de dióxido de carbono;
• calentadores – precalentamiento del aire de entrada;
• filtros – retienen polvo y micropartículas;
• recuperador – pueden utilizarse diferentes tipos de unidades.

La funcionalidad de algunas USE se amplía con temporizador de retardo, regulador de potencia, sensores de humedad, etc.

El cuerpo de los modelos monobloque está cubierto con material fonoabsorbente, por lo que el funcionamiento de la unidad de ventilación con recuperación es muy silencioso. Son posibles variantes de instalación vertical, horizontal y suspendida.

Las unidades monobloque con recuperación de calor de las siguientes marcas han tenido buenos resultados: «Vents» (Ucrania), Dantherm (Dinamarca), «Daikin» (Japón), «Dantex» (Inglaterra).

Equipos locales: complemento al sistema de ventilación existente

Para restablecer la circulación de aire en un espacio en uso, son adecuados los ventiladores de suministro descentralizados con recuperación de calor.

Se insertan en la fachada del edificio o se instalan a través de una ventana. Su tarea principal es mejorar la ventilación de suministro en la casa.

En los recuperadores locales se incluye un ventilador y un intercambiador de calor de placas. El «manguito» del ventilador de suministro está aislado con material fonoabsorbente. La unidad de control de las unidades de ventilación compactas se coloca en la pared interior.

Características de los sistemas de ventilación descentralizados con recuperación:

• Rendimiento – 60-96%;
• bajo rendimiento – los dispositivos están diseñados para garantizar el intercambio de aire en espacios de hasta 20-35 m²;
• coste accesible y una amplia selección de unidades, desde válvulas de pared básicas hasta modelos automatizados con sistema de filtración de múltiples etapas y posibilidad de ajuste de humedad;
• simplicidad de instalación – para poner en funcionamiento no se requiere la colocación de conductos, instalar la válvula de pared se puede hacer usted mismo.

Fabricantes populares de recuperadores locales: Prana (Ucrania), O.Erre (Italia), Blizzard (Alemania), Vents (Ucrania), Aerovital (Alemania).

Criterios importantes para elegir un ventilador de suministro de pared: espesor de pared admisible, capacidad, rendimiento del recuperador, diámetro del conducto de aire y temperatura del medio bombeado.

Conclusiones y video útil sobre el tema

Comparación del funcionamiento de la ventilación natural y el sistema forzado con recuperación:

Principio de funcionamiento de un recuperador centralizado, cálculo del rendimiento:

Estructura y modo de funcionamiento de un intercambiador de calor descentralizado, usando como ejemplo la válvula de pared Prana:

A través del sistema de ventilación, entre el 25 y el 35% del calor se escapa de la habitación. Para reducir las pérdidas y lograr una recuperación de calor eficiente, se utilizan recuperadores. El equipo de climatización permite aprovechar la energía de las masas de aire usadas para calentar el aire entrante.

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