Ventilación de suministro y extracción con recuperación de calor: principio de funcionamiento, revisión de ventajas y desventajas

La entrada de aire fresco durante el período frío lleva a la necesidad de calentarlo para garantizar un microclima adecuado en los espacios. Para minimizar el consumo de energía eléctrica, se puede utilizar ventilación de suministro y extracción con recuperación de calor.

La comprensión de los principios de su funcionamiento permitirá reducir las pérdidas de calor de la manera más eficaz posible, manteniendo un volumen suficiente de aire de reemplazo. Intentemos comprender esta cuestión.

Ahorro de energía en sistemas de ventilación

En el período otoño-primavera, al ventilar los espacios, un problema grave es la gran diferencia de temperatura entre el aire que entra y el que está dentro. El flujo frío se dirige hacia abajo y crea un microclima desfavorable en viviendas, oficinas y en la producción, o un gradiente vertical de temperatura inaceptable en el almacén.

Una solución común al problema es la integración de un calentador en la ventilación de suministro, mediante el cual se calienta el flujo. Dicho sistema requiere consumo de energía eléctrica, mientras que un volumen significativo de aire caliente que sale al exterior conlleva pérdidas sustanciales de calor.

La salida de aire al exterior con vapor intenso sirve como indicador de pérdidas significativas de calor, que se puede utilizar para calentar el flujo entrante.

Si los conductos de entrada y salida de aire están ubicados cerca, se puede transferir parcialmente el calor del flujo saliente al entrante. Esto permitirá reducir el consumo de energía del calentador o incluso prescindir de él. El dispositivo para asegurar el intercambio de calor entre flujos de gas a diferentes temperaturas se llama recuperador.

En la temporada cálida, cuando la temperatura del aire exterior supera significativamente la temperatura ambiente, se puede usar el recuperador para enfriar el flujo entrante.

Dispositivo del bloque con recuperador

El diseño interno de los sistemas de ventilación de suministro y extracción con un recuperador integrado es bastante simple, por lo que es posible su compra e instalación por partes de forma independiente. En caso de que el ensamblaje o la instalación independiente presente dificultades, se pueden adquirir soluciones listas para usar en forma de construcciones típicas monobloque o estructuras modulares personalizadas bajo pedido.

El esquema típico de un sistema de ventilación de suministro y extracción con un recuperador ubicado en una sola carcasa puede complementarse con otros componentes a discreción del usuario.

Elementos principales y sus parámetros

La carcasa con aislamiento térmico y acústico generalmente se fabrica de chapa de acero. En el caso de montaje en pared, debe soportar la presión que se produce al espumar las grietas alrededor del bloque, así como evitar la vibración por el funcionamiento de los ventiladores.

En el caso de una toma y suministro de aire distribuido en diferentes espacios, se conecta al cuerpo un sistema de conductos de aire. Este se equipa con válvulas y compuertas para la distribución de los flujos.

En ausencia de conductos, se instala una rejilla o difusor en la abertura de suministro del lado de la habitación para distribuir el flujo de aire. En la abertura de suministro del lado de la calle se monta una rejilla de admisión de aire de tipo exterior para evitar la entrada de aves, insectos grandes y residuos en el sistema de ventilación.

El movimiento del aire es proporcionado por dos ventiladores de tipo axial o centrífugo. En presencia de un recuperador, la circulación natural del aire en volumen suficiente es imposible debido a la resistencia aerodinámica creada por este componente.

La presencia de un recuperador requiere la instalación de filtros de fina limpieza en la entrada de ambos flujos. Esto es necesario para reducir la intensidad de obstrucción por polvo y depósitos grasos de los finos canales del intercambiador de calor. De lo contrario, para el funcionamiento completo del sistema, se deberá aumentar la frecuencia de las labores de mantenimiento preventivo.

Los filtros de fina limpieza deben cambiarse o limpiarse periódicamente. De lo contrario, el aumento de la resistencia al flujo de aire provocará una avería de los ventiladores.

Uno o varios recuperadores ocupan el volumen principal del dispositivo de suministro y extracción. Se montan en el centro de la estructura.

En caso de heladas severas típicas del territorio y eficiencia insuficiente del recuperador para calentar el aire exterior, se puede instalar adicionalmente un calentador. También, según sea necesario, se montan un humidificador, un ionizador y otros dispositivos para crear un microclima favorable en la habitación.

Los modelos modernos contemplan la presencia de una unidad de control electrónico. Las modificaciones complejas tienen funciones de programación de modos de trabajo en función de los parámetros físicos del aire ambiente. Los paneles externos tienen un aspecto atractivo, por lo que pueden integrarse bien en cualquier interior de la habitación.

Solución al problema de la formación de condensación

El enfriamiento del aire que ingresa desde el espacio crea las condiciones para la eliminación de la humedad y la formación de condensado. En caso de una alta velocidad del flujo, gran parte de éste no logra acumularse en el recuperador y sale al exterior. Con un movimiento lento del aire, una parte significativa del agua permanece dentro del dispositivo. Por lo tanto, es necesario asegurar la recolección de humedad y su evacuación fuera del cuerpo del sistema de ventilación de suministro y extracción.

El dispositivo elemental para la recolección y drenaje del condensado es una bandeja ubicada debajo del recuperador con una inclinación hacia el orificio de drenaje.

La evacuación de la humedad se realiza hacia un recipiente cerrado. Se coloca solo dentro de la habitación para evitar la congelación de los canales de salida a temperaturas bajo cero. No existe un algoritmo confiable para calcular el volumen de agua obtenida al usar sistemas con recuperador, por lo que se determina de forma experimental.

No es deseable reutilizar el condensado para humidificar el aire, ya que el agua absorbe muchos contaminantes, como el sudor humano, los olores, etc.

Se puede reducir significativamente el volumen de condensado y evitar los problemas asociados con su aparición organizando un sistema de extracción separado desde el baño y la cocina. Precisamente en estas habitaciones el aire tiene la mayor humedad. Si existen varios sistemas de extracción, es necesario limitar el intercambio de aire entre la zona técnica y la zona habitable mediante la instalación de válvulas de retención.

En el caso de que el flujo de aire saliente se enfríe a temperaturas bajo cero dentro del recuperador, el condensado se convierte en hielo, lo que provoca la reducción de la sección transversal del flujo y, como consecuencia, la disminución del volumen o la detención completa de la ventilación.

Para el descongelamiento periódico o puntual del recuperador se instala un bypass, un canal de derivación para el movimiento del aire de suministro. Al pasar el flujo por fuera del dispositivo, se detiene la transferencia de calor, se calienta el intercambiador y el hielo pasa a estado líquido. El agua fluye hacia el recipiente de recolección de condensado o se evapora al exterior.

El principio del dispositivo de bypass es sencillo, por lo que, ante el riesgo de formación de hielo, es conveniente prever esta solución, ya que calentar el recuperador de otras maneras es complicado y prolongado.

Al pasar el flujo a través del bypass, no hay calentamiento del aire de suministro mediante el recuperador. Por lo tanto, al activar este modo, es necesario el encendido automático del calentador.

Características de los diferentes tipos de recuperadores

Existen varias opciones constructivamente diferentes para implementar el intercambio de calor entre flujos de aire frío y caliente. Cada una tiene sus propias características distintivas que determinan el propósito principal de cada tipo de recuperador.

Recuperador de placas de flujo cruzado

La construcción del recuperador de placas se basa en paneles de paredes delgadas, unidos alternativamente de manera que se alterna el paso entre ellos de flujos de diferentes temperaturas en un ángulo de 90 grados. Una de las modificaciones de este modelo es un dispositivo con canales aleteados para el paso del aire. Tiene un coeficiente de transferencia de calor más alto.

El paso alternativo de flujo de aire caliente y frío a través de las placas se logra doblando los bordes de las placas y sellando las uniones con resina de poliéster.

Los paneles de intercambio de calor pueden estar hechos de diferentes materiales:

• cobre, latón y aleaciones a base de aluminio tienen buena conductividad térmica y no son propensos a la oxidación;
• plástico de material hidrofóbico polimérico con alto coeficiente de conductividad térmica tienen poco peso;
• la celulosa higroscópica permite que el condensado penetre a través de la placa y regrese a la habitación.

La desventaja es la posible formación de condensación a bajas temperaturas. Debido a la pequeña distancia entre las placas, la humedad o el hielo aumentan significativamente la resistencia aerodinámica. En caso de congelación, es necesario cerrar el flujo de aire entrante para descongelar las placas.

Las ventajas de los recuperadores de placas son las siguientes:

• bajo costo;
• larga vida útil;
• largo período entre mantenimiento preventivo y facilidad de realización;
• dimensiones y peso reducidos.

Este tipo de recuperador es el más común para locales residenciales y de oficinas. También se utiliza en algunos procesos tecnológicos, por ejemplo, para optimizar la combustión de combustible en el funcionamiento de hornos.

Tipo de tambor o rotativo

El principio de funcionamiento del recuperador rotatorio se basa en la rotación del intercambiador de calor, dentro del cual se encuentran capas de metal corrugado con alta capacidad calorífica. Como resultado de la interacción con el flujo saliente, el sector del tambor se calienta, que posteriormente cede calor al aire entrante.

El intercambiador de calor de celdas finas del recuperador rotatorio es propenso a obstruirse, por lo que se debe prestar especial atención al buen funcionamiento de los filtros de alta eficiencia.

Las ventajas de los recuperadores rotativos son las siguientes:

• un rendimiento bastante alto en comparación con los tipos competidores;
• la devolución de una gran cantidad de humedad que, en forma de condensado, permanece en el tambor y se evapora al contacto con el aire seco entrante.

Este tipo de recuperador se utiliza con menos frecuencia en edificios residenciales para ventilación por apartamento o de casas individuales. A menudo se emplea en grandes salas de calderas para recuperar calor para hornos o para amplios espacios de uso industrial o comercial y de entretenimiento.

Sin embargo, este tipo de dispositivos tiene inconvenientes significativos:

• una construcción relativamente compleja con partes móviles, que incluye un motor eléctrico, un tambor y una transmisión por correa, lo que requiere un mantenimiento constante;
• nivel de ruido elevado.

A veces, para dispositivos de este tipo se puede encontrar el término “intercambiador de calor regenerativo”, que es más correcto que “recuperador”. Esto se debe a que una pequeña parte del aire de salida regresa debido al ajuste no hermético del tambor al cuerpo de la estructura.

Esto impone restricciones adicionales sobre la posibilidad de usar dispositivos de este tipo. Por ejemplo, no se puede utilizar aire contaminado de hornos de calefacción como fluido caloportador.

Sistema basado en tubos y carcasa

El recuperador de tipo tubular consiste en un sistema de tubos de pared delgada de pequeño diámetro dispuestos en una carcasa aislada, a través de los cuales entra el aire exterior. A través de la carcasa se extrae la masa de aire caliente de la habitación, que calienta el flujo entrante.

La extracción del aire caliente debe realizarse a través de la carcasa, no a través del sistema de tubos, ya que no es posible eliminar el condensado de estos.

Las principales ventajas de los recuperadores tubulares son las siguientes:

• alto rendimiento, gracias al principio de contracorriente del movimiento del fluido caloportador y del aire entrante;
• la simplicidad de la construcción y la ausencia de partes móviles proporcionan un bajo nivel de ruido y una necesidad de mantenimiento poco frecuente;
• larga vida útil;
• la sección transversal más pequeña entre todos los tipos de dispositivos de recuperación.

Los tubos para este tipo de dispositivo se utilizan de metal ligero o, menos frecuentemente, de polímero. Estos materiales no son higroscópicos, por lo que con una diferencia significativa de temperatura entre los flujos es posible la formación de condensado intenso en la carcasa, lo que requiere una solución constructiva para su eliminación. Otra desventaja es que el interior metálico tiene un peso considerable, a pesar de las pequeñas dimensiones.

La simplicidad de la construcción del recuperador tubular hace que este tipo de dispositivo sea popular para fabricación propia. Como carcasa exterior se suelen utilizar tubos de plástico para conductos de aire, aislados con una cubierta de espuma de poliuretano.

Dispositivo con fluido térmico intermedio

A veces los conductos de aire de suministro y extracción están ubicados a cierta distancia entre sí. Esta situación puede ocurrir debido a las características tecnológicas del edificio o a los requisitos sanitarios para una separación confiable de los flujos de aire.

En este caso se utiliza un fluido térmico intermedio que circula entre los conductos de aire a través de una tubería aislada. Como medio para transferir energía térmica se emplea agua o una solución de agua y glicol, cuya circulación es proporcionada por un bomba de calor.

El recuperador con portador de calor intermedio es un dispositivo voluminoso y costoso, cuya aplicación está económicamente justificada para espacios con grandes áreas.

En ese caso, si existe la posibilidad de usar otro tipo de recuperador, es mejor no aplicar el sistema con portador de calor intermedio, ya que presenta los siguientes inconvenientes significativos:

• baja eficiencia en comparación con otros tipos de dispositivos, por lo tanto, para espacios pequeños con bajo caudal de aire no se utilizan estos dispositivos;
• volumen y peso significativos de todo el sistema;
• necesidad de una bomba eléctrica adicional para la circulación del líquido;
• mayor ruido debido al funcionamiento de la bomba.

Existe una modificación de este sistema, donde en lugar de la circulación forzada del líquido de intercambio de calor se utiliza un medio con un punto de ebullición bajo, por ejemplo freón. En este caso, el movimiento a lo largo del circuito es posible de forma natural, pero solo si el conducto de aire de suministro está ubicado sobre el de extracción.

Dicho sistema no requiere gastos adicionales de electricidad, pero solo funciona para calefacción cuando hay una diferencia de temperatura significativa. Además, es necesario un ajuste preciso del punto de cambio de estado agregado del líquido de intercambio de calor, que puede realizarse mediante la creación de la presión adecuada o una composición química específica.

Parámetros técnicos principales

Conociendo el rendimiento requerido del sistema de ventilación y la eficiencia de intercambio de calor del recuperador, es fácil calcular el ahorro en la calefacción del aire para el espacio en condiciones climáticas específicas. Comparando el beneficio potencial con los costos de compra y mantenimiento del sistema, se puede tomar una decisión informada a favor del recuperador o de un calentador de aire estándar.

A menudo los fabricantes de equipos ofrecen una gama de modelos en la que los bloques de ventilación con funcionalidad similar se diferencian por el volumen de intercambio de aire. Para espacios residenciales, este parámetro debe calcularse según la tabla 9.1 de la SP 54.13330.2016

Coeficiente de eficiencia

Por coeficiente de eficiencia del recuperador se entiende la eficiencia de transferencia de calor, que se calcula mediante la siguiente fórmula:

K = (T_p – T_n) / (T_v – T_n)

Donde:

• T_p – temperatura del aire que ingresa al interior del local;
• T_n – temperatura del aire exterior;
• T_v – temperatura del aire interior.

El valor máximo de eficiencia a la velocidad de flujo de aire estándar y bajo un régimen de temperatura determinado se indica en la documentación técnica del dispositivo. Su valor real será un poco menor.

En caso de fabricación propia de un recuperador de placas o tubular, para lograr la máxima eficiencia de transferencia de calor, es necesario seguir las siguientes reglas:

• El mejor intercambio de calor lo proporcionan los dispositivos a contracorriente, luego los de flujo cruzado, y el menor, aquellos con movimiento unidireccional de ambos flujos.
• La intensidad del intercambio de calor depende del material y el espesor de las paredes que separan los flujos, así como del tiempo que el aire permanece dentro del dispositivo.

Conociendo la eficiencia del recuperador, se puede calcular su eficiencia energética a diferentes temperaturas del aire exterior e interior:

E (W) = 0,36 x P x K x (T_v – T_n)

donde P (m³/h) – caudal de aire.

El cálculo de la eficiencia del recuperador en equivalente monetario y la comparación con los costos de su adquisición e instalación para una cabaña de dos pisos con un área total de 270 m2 muestra la conveniencia de instalar dicho sistema.

El costo de los recuperadores con alta eficiencia es bastante elevado, tienen una construcción compleja y dimensiones considerables. A veces se pueden evitar estos problemas instalando varios dispositivos más simples de manera que el aire entrante pase secuencialmente a través de ellos.

Rendimiento del sistema de ventilación

El volumen de aire que pasa está determinado por la presión estática, que depende de la potencia del ventilador y de los componentes principales que crean resistencia aerodinámica. Por lo general, su cálculo preciso es imposible debido a la complejidad del modelo matemático, por lo que para las construcciones monobloque típicas se realizan estudios experimentales, y para los dispositivos individuales se realiza la selección de componentes.

La potencia del ventilador debe seleccionarse teniendo en cuenta la capacidad de paso de los recuperadores instalados de cualquier tipo, la cual en la documentación técnica se indica como velocidad de flujo recomendada o volumen de aire que pasa por el dispositivo por unidad de tiempo. Por lo general, la velocidad permisible del aire dentro del dispositivo no supera el valor de 2 m/s.

De lo contrario, a altas velocidades en los elementos estrechos del recuperador se produce un aumento brusco de la resistencia aerodinámica. Esto conlleva a un gasto innecesario de electricidad, un calentamiento ineficaz del aire exterior y una reducción de la vida útil de los ventiladores.

El gráfico de la dependencia de la pérdida de presión respecto a la velocidad del flujo de aire para varios modelos de recuperadores de alto rendimiento muestra un crecimiento no lineal de la resistencia, por lo tanto es necesario cumplir con los requisitos del volumen de intercambio de aire recomendado que se indican en la documentación técnica del dispositivo.

El cambio de dirección del flujo de aire genera una resistencia aerodinámica adicional. Por lo tanto, al modelar la geometría del conducto de aire dentro del local, es recomendable minimizar la cantidad de giros de tubería a 90 grados. Los difusores para dispersar el aire también aumentan la resistencia, por lo que es recomendable no utilizar elementos con patrones complejos.

Los filtros y rejillas sucios generan interferencias significativas al movimiento del flujo, por lo que es necesario limpiarlos o cambiarlos periódicamente. Una de las formas efectivas de evaluar la obstrucción es instalar sensores que monitoreen la caída de presión en las secciones antes y después del filtro.

Conclusiones y video útil sobre el tema

Principio de funcionamiento del recuperador rotativo y de placas:

Medición de la eficiencia del recuperador de tipo placas:

Los sistemas de ventilación domésticos e industriales con recuperador integrado han demostrado su eficiencia energética en la conservación del calor dentro de los locales. Actualmente existen muchas ofertas para la venta e instalación de estos dispositivos, tanto en modelos ya preparados y probados como bajo pedido personalizado. Se pueden realizar el cálculo de los parámetros necesarios y la instalación por cuenta propia.

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