Nel mondo odierno, in cui l'uso efficiente dell'energia sta diventando una priorità, le unità di recupero di calore stanno diventando sempre più popolari come strumento efficace per migliorare l'efficienza energetica degli edifici. L'elemento chiave di questi sistemi di ventilazione avanzati sono gli scambiatori di calore, comunemente chiamati recuperatori. Quali sono i tipi di scambiatori utilizzati nelle unità di recupero di calore e in cosa differiscono tra loro? Scoprilo in questo articolo!
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Come è stato utilizzato il sistema di recupero del calore nelle case unifamiliari?
Nel linguaggio comune, il termine " recuperatore " è di uso comune da molti anni. Cosa significa esattamente questo termine? Un recuperatore è un'unità di ventilazione con recupero di calore. Inizialmente, il recupero di calore veniva utilizzato in grandi unità di ventilazione con una portata d'aria di diverse decine di migliaia, poi di diverse migliaia di m³/h. Le normative di legge hanno gradualmente ridotto questo valore. Secondo l'attuale regolamento del Ministro delle Infrastrutture "Sulle condizioni tecniche che gli edifici e la loro ubicazione devono soddisfare", i dispositivi per il recupero di calore dall'aria espulsa devono essere utilizzati nella ventilazione meccanica con una portata d'aria di 500 m³/h e oltre.
L'efficienza termica del recuperatore di calore deve essere almeno del 50%. Tuttavia, non sono solo le attuali normative di legge ad aver contribuito al crescente interesse per l'utilizzo del recupero di calore nelle abitazioni residenziali negli ultimi anni. Spesso, l'efficienza dell'unità centrale di un'abitazione non supera i 500 m³/h. La crescente consapevolezza dell'importanza della qualità dell'aria che respiriamo ogni giorno ha contribuito alla diffusione della ventilazione meccanica negli edifici unifamiliari.
Quale ruolo svolge lo scambiatore di calore in un recuperatore?
Il recuperatore (unità di recupero del calore) è costituito dai seguenti elementi:
- Scambiatore di calore
- Ventilatore di alimentazione
- Ventilatore di scarico
- Filtro dell'aria
- Filtro di scarico
- Sensori
- Riscaldatore elettrico
- Bypassare
- Alloggiamento
Ci concentreremo sul componente più importante presente nell'unità di recupero , ovvero lo scambiatore di calore. Si può tranquillamente affermare che sia il cuore del dispositivo. Lo scambiatore è il luogo in cui il calore viene scambiato dall'aria espulsa (dagli ambienti) all'aria immessa (dall'esterno). Grazie a questo, non si disperde tutto il calore con l'aria espulsa (come avviene nella tipica ventilazione a gravità), ma gran parte di esso può essere recuperato. Questo ci permette di risparmiare energia che dovremmo impiegare per riscaldare l'aria necessaria alla ventilazione.
Un tema importante che accompagna il processo di recupero del calore è il recupero dell'umidità, o meglio, la sua assenza. Il livello di umidità dell'aria in una stanza spesso non è una priorità nella scelta del dispositivo giusto. L'umidità dell'aria determina diversi aspetti della vita e sembra essere uno degli elementi chiave che influenzano il comfort quotidiano. L'umidità dell'aria influisce direttamente sul nostro benessere, sui problemi di salute, sullo sviluppo di funghi e batteri, sulla trasmissione di virus o sulla durata dei materiali da costruzione. Pertanto, le tipologie di scambiatori di calore discusse in dettaglio di seguito saranno descritte anche in relazione a questo aspetto.
Divisione e tipologie di scambiatori di calore utilizzati nelle unità di recupero di calore
Nelle unità di ventilazione con recupero di calore, gli scambiatori di calore occupano un posto centrale, svolgendo un ruolo chiave per il funzionamento efficiente del sistema. Sono responsabili del trasferimento del calore dall'aria di espulsione all'aria di mandata, contribuendo a ridurre al minimo le perdite di energia e ad aumentare l'efficienza dell'intero processo di ventilazione. Esistono molti tipi di scambiatori di calore utilizzati nelle unità di ventilazione con recupero di calore, ognuno dei quali presenta caratteristiche e applicazioni uniche. Cosa li distingue?
Scambiatori di piastre
Gli scambiatori a piastre sono costituiti da sottili piastre di acciaio, alluminio, plastica o da una speciale membrana nel caso degli scambiatori entalpici (a recupero di umidità). Le suddette piastre creano canali di mandata e di espulsione isolati tra loro. I flussi d'aria non entrano in contatto tra loro mentre attraversano lo scambiatore. Si verifica quindi il fenomeno del recupero di calore. Il flusso d'aria calda (espulsa dagli ambienti) riscalda le piastre dello scambiatore, mentre il flusso d'aria fredda (immessa dall'esterno) assorbe calore dalle piastre riscaldate. In inverno, l'umidità si condensa sulla superficie dello scambiatore a causa della differenza di temperatura tra l'aria di mandata e quella di espulsione.
La condensa viene scaricata in una vaschetta di raccolta e la sua quantità in eccesso si congela parzialmente, ostruendo gli spazi attraversati dall'aria. Questo processo è comunemente chiamato brina dello scambiatore. A temperature esterne inferiori a -4 °C, è necessario utilizzare una protezione antigelo. Le unità di ventilazione con scambiatori a piastre sono dotate di sistemi di protezione sotto forma di una camera vuota con una serranda, situata accanto allo scambiatore (comunemente chiamata bypass), un preriscaldatore elettrico o algoritmi che regolano il funzionamento dei ventilatori. A seconda del metodo di flusso dell'aria, gli scambiatori a piastre si dividono in a flusso incrociato o a flusso controcorrente.
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Scambiatore a flusso incrociato
Lo scambiatore a flussi incrociati è costruito in modo tale che i canali dell'aria di mandata e di scarico siano perpendicolari tra loro. Sembra che i flussi d'aria si incrocino (da cui il nome). In realtà, scorrono in canali separati. A causa del tempo di contatto relativamente breve dei flussi d'aria, l'efficienza degli scambiatori a flussi incrociati è inferiore a quella degli scambiatori a controflusso e varia dal 50 al 75%. Gli scambiatori a flussi incrociati sono i più soggetti a formazione di brina. Il loro vantaggio è senza dubbio la semplicità, che si traduce in un prezzo conveniente.
Scambiatore controcorrente
Lo scambiatore a controcorrente è più evoluto dello scambiatore a flussi incrociati. Ne rappresenta una versione migliorata. La differenza fondamentale è che nella parte centrale dello scambiatore, i canali di mandata e di scarico corrono paralleli. I flussi scorrono in direzioni opposte. Grazie a ciò, l'aria fredda che attraversa l'ultima sezione dello scambiatore viene riscaldata dall'aria di scarico più calda. I recuperatori con scambiatore a controcorrente sono caratterizzati da un'efficienza maggiore rispetto a quelli con scambiatore a flussi incrociati. La loro efficienza raggiunge il 90%. Sono meno soggetti al gelo, ma l'unità presenta comunque una serie di dispositivi di sicurezza volti a sbrinare lo scambiatore in inverno, quando il fenomeno della condensazione del vapore acqueo si verifica costantemente. A causa della loro struttura, sono più costosi degli scambiatori a flussi incrociati.
Scambiatore di calore a condensazione a flusso controcorrente
Uno scambiatore di calore a flusso inverso che rimuove in modo irreversibile la condensa all'esterno della circolazione dell'aria è chiamato scambiatore di calore a condensazione a flusso inverso. Questo può rappresentare sia uno svantaggio che un vantaggio. Gli apporti di vapore acqueo generati dai membri della famiglia di solito non sono sufficienti a compensare le perdite causate dal funzionamento continuo della ventilazione meccanica. Pertanto, in inverno l'aria diventa secca, il che ha un impatto significativo sul comfort di utilizzo. A sua volta, durante i periodi piovosi e di transizione, la presenza di uno scambiatore di questo tipo consente di asciugare l'aria nell'edificio.
Questo è utile anche all'inizio dell'utilizzo di un nuovo edificio, quando l'umidità è ancora presente negli intonaci e nei massetti. In questa fase, sarebbe ragionevole valutare l'utilizzo di un umidificatore per l'aria di mandata. Tuttavia, la loro popolarità sul mercato polacco è scarsa. I produttori che offrono un umidificatore spesso lo adattano per funzionare solo con un'unità centrale dedicata di loro produzione. E da un punto di vista puramente commerciale, è difficile biasimarli per questo.
Scambiatore di entalpia
La differenza tra lo scambiatore di calore entalpico e quello a condensazione controcorrente risiede nel materiale utilizzato per la costruzione delle piastre. Nel caso dello scambiatore di calore entalpico controcorrente, le piastre sono costituite da una membrana polimerica, che agisce come un filtro e consente il trasferimento del vapore acqueo. Attraverso questo scambiatore si verifica il recupero di calore e un parziale recupero di umidità.
Un ulteriore vantaggio degli scambiatori entalpici è un intervallo di funzionamento più ampio, senza la necessità di una protezione antigelo aggiuntiva (funzionamento fino a -8 °C). Ciononostante, le unità con questi scambiatori sono dotate dei sistemi di protezione sopra menzionati. Il recupero di umidità in inverno è consigliabile e risolve il problema dell'aria secca. Tuttavia, è opportuno ricordare che il recupero di umidità sopra menzionato può avvenire anche in estate. L'umidità dell'aria interna deve quindi essere superiore a quella dell'aria esterna.
Scambiatori a spirale controcorrente
Vale la pena menzionare che esistono scambiatori di calore a spirale controcorrente. Il design di questo scambiatore di calore è protetto da brevetto. Si tratta di una soluzione unica, implementata da un'azienda polacca. Lo scambiatore è realizzato in foglio di alluminio e lamiera zincata laminati a spirale e sagomati a forma di cilindro. Lo scambiatore è strutturalmente suddiviso in due spazi indipendenti: aria di mandata e aria di scarico.
Entrambi gli spazi sono separati da una guarnizione, garantendo una separazione precisa e consentendo il recupero di calore dall'aria di espulsione senza mescolarla con l'aria di mandata. Il design a spirale dello scambiatore fa sì che l'aria fluisca in modo circolare, controcorrente e parzialmente incrociato. L'ampia superficie di scambio termico e il lungo percorso del flusso d'aria rendono lo scambiatore resistente al gelo e la sua efficienza supera l'85% con un rapporto di 1:1 tra aria di mandata e aria di espulsione.
L'elevata resistenza al gelo contraddistingue i recuperatori di calore con questa soluzione e ne consente l'utilizzo senza resistenze di protezione all'ingresso dell'aria esterna e senza i sistemi di sbrinamento richiesti in altri dispositivi di questo tipo. L'eliminazione della necessità di utilizzare un preriscaldatore per proteggere lo scambiatore dal gelo a basse temperature consente risparmi misurabili durante tutto l'anno.
Scambiatore di calore a condensazione rotativo
Lo scambiatore di calore rotativo a condensazione è costituito da fogli di alluminio ondulati e piani alternati, avvolti su uno speciale cilindro (tamburo). Il foglio crea dei canali attraverso i quali scorrono alternativamente i flussi d'aria immessi ed espulsi dagli ambienti. Una cinghia di trasmissione è avvolta attorno allo scambiatore, che, azionata dal motore, mette in moto il cilindro (rotazione attorno al proprio asse). Durante la rotazione, avviene il recupero di energia tramite il processo di rigenerazione.
Il processo di rigenerazione è caratterizzato dal fatto che i flussi d'aria interna ed esterna sono a contatto con la stessa superficie dello scambiatore (miscela), consentendo il recupero di calore e un parziale recupero di umidità. In condizioni invernali, quando la temperatura dell'aria esterna è bassa, l'aria estratta dagli ambienti si raffredda a una temperatura inferiore al punto di rugiada, provocando la condensazione. L'acqua si deposita nei canali e, per effetto della rotazione dello scambiatore, si trova nell'ambiente freddo dell'aria esterna.
L'aria esterna si riscalda e fa evaporare parte della condensa, che poi viene rimessa in circolo, umidificando così parzialmente l'aria esterna. Il processo è continuo e la condensa non ha tempo a sufficienza per congelare. È qui che emerge il vantaggio degli scambiatori di calore rotativi, che possono funzionare a temperature esterne molto basse (-30 °C) senza bisogno di protezione antigelo. Lo svantaggio, tuttavia, è la dipendenza dai componenti meccanici (motore, cinghia di trasmissione, ecc.) e il consumo energetico aggiuntivo (necessità di alimentazione elettrica supplementare).
Scambiatore di calore rotante ad assorbimento
Uno scambiatore di calore rotativo ad assorbimento non è altro che uno scambiatore a condensazione dotato di materiale igroscopico aggiuntivo, che consente l'assorbimento del vapore acqueo dall'aria. Uno scambiatore di questo tipo è in grado di recuperare fino al 90% dell'umidità dall'aria di scarico. L'assorbimento del vapore acqueo dall'aria avviene sia in inverno che in estate e non si basa sul fenomeno della condensazione. L'utilizzo di questo tipo di scambiatore è ottimale in ambienti con bassa umidità dell'aria e l'introduzione di un altro scambiatore (rotativo a condensazione o a controcorrente entalpica) non porterebbe a risultati soddisfacenti a causa di un recupero di umidità troppo basso.
Cosa considerare nella scelta di un recuperatore?
La scelta di un recuperatore di calore dovrebbe essere preceduta da un'analisi di base delle esigenze di chi utilizza ambienti ventilati. La scelta del dispositivo sarà diversa per gli uffici rispetto a un'abitazione. Quando si tratta di edifici monofamiliari e plurifamiliari, è sempre necessario tenere conto del fatto che ogni famiglia è diversa, con abitudini e modalità di funzionamento differenti, il che è strettamente correlato alla generazione di apporti di umidità. Gli apporti di umidità dovrebbero essere di fondamentale importanza nella scelta della giusta soluzione di recupero energetico.