Quali sono i principali sistemi per il recupero del calore?

Il risparmio energetico è una delle questioni chiave sia per il consumo di combustibili fossili che per la protezione dell’ambiente globale. L’aumento del costo dell’energia e il riscaldamento globale hanno sottolineato che lo sviluppo di sistemi energetici migliori è necessario per aumentare l’efficienza energetica riducendo le emissioni di gas serra. Il modo più efficace per ridurre la domanda di energia è utilizzare l’energia in modo più efficiente. Pertanto, il recupero del calore di scarto sta diventando popolare negli ultimi anni poiché migliora l’efficienza energetica.

Perché è importante recuperare il calore di scarto

Circa il 26% dell’energia industriale viene ancora sprecata come gas o fluido caldo in molti paesi. Tuttavia, negli ultimi due decenni c’è stata una notevole attenzione al recupero del calore di scarto da varie industrie e all’ottimizzazione delle unità utilizzate per assorbire il calore dai gas di scarico. Pertanto, questi tentativi aumentano la riduzione del riscaldamento globale e della domanda di energia.

Nella maggior parte dei paesi industrializzati, i sistemi di climatizzazione sono responsabili di un terzo del consumo energetico totale. Inoltre, il raffreddamento e la deumidificazione dell’aria di ventilazione fresca costituiscono il 20–40% del carico energetico totale per i sistemi di climatizzazione nelle regioni climatiche calde e umide. Tuttavia, tale percentuale può essere superiore laddove è richiesta una ventilazione con aria fresca al 100%. Ciò significa che è necessaria più energia per soddisfare le esigenze di aria fresca degli occupanti.

Il recupero del calore sta quindi diventando una necessità a causa del crescente costo energetico per il trattamento dell’aria fresca. Lo scopo principale dei sistemi di recupero del calore è mitigare il consumo energetico degli edifici per riscaldamento, raffrescamento e ventilazione recuperando il calore di scarto. A questo proposito, sistemi di recupero del calore stand alone o combinati possono essere incorporati negli edifici residenziali o commerciali per il risparmio energetico.

Le ruote termiche rotanti

Le ruote termiche rotanti sono un mezzo meccanico di recupero del calore. Una ruota metallica porosa rotante trasferisce l’energia termica da un flusso d’aria all’altro passando alternativamente attraverso ciascun fluido. Il sistema funziona come una massa di accumulo termico per cui il calore dell’aria viene temporaneamente immagazzinato all’interno della matrice della ruota fino a quando non viene trasferito al flusso d’aria più freddo.

Esistono due tipi di ruote termiche rotanti, le ruote termiche e le ruote entalpiche (essiccanti). Sebbene esista una somiglianza geometrica tra le ruote termiche ed entalpiche, ci sono differenze che influenzano il funzionamento di ciascun progetto.

In un sistema che utilizza una ruota essiccante, l’umidità nel flusso d’aria con l’umidità relativa più elevata viene trasferita alla corrente d’aria opposta dopo aver attraversato la ruota. Questo può funzionare in entrambe le direzioni di aria in entrata nell’aria di scarico e aria di scarico nell’aria in entrata. L’aria di alimentazione può quindi essere utilizzata direttamente o impiegata per raffreddare ulteriormente l’aria, e questo è un processo ad alta intensità energetica.

Grandi flussi d’aria – Alta efficienza

Gli scambiatori di calore rotativi sono il mezzo più efficace per trasferire il calore. Nessun altro dispositivo può recuperare tanto calore o freddo e nessun altro scambiatore di calore è in grado di gestire volumi d’aria così grandi. È possibile ottenere un risparmio energetico fino all’85%.

Gli scambiatori di calore rotativi hanno una struttura a ruota, motivo per cui sono anche conosciuti come ruote termiche o semplicemente rotori. Realizzati di solito con fogli di alluminio, le ruote presentano innumerevoli piccoli canali attraverso i quali l’aria fluisce e trasferisce il suo calore a questa massa di accumulo. L’alluminio è ideale per questo processo a causa della sua elevata conduttività termica.

Come funziona la massa di accumulo

La ruota di calore ruota tra due correnti d’aria: quella dell’aria di mandata, che porta l’aria esterna all’interno dell’edificio e quella di scarico, che trasporta l’aria interna “usata” all’esterno. L’aria dall’esterno attraversa metà della massa di accumulo, mentre l’aria di scarico attraversa l’altra metà.

In questo processo, la maggior parte del calore dell’aria di scarico viene trasmessa alla massa di accumulo, la metà riscaldata della ruota continua a ruotare finché non si trova nel percorso dell’aria di alimentazione più fredda, alla quale trasmette il proprio calore. Di conseguenza, l’aria di mandata entra nell’edificio a una temperatura notevolmente più alta.

Scambiatori di calore a piastre fisse

Gli scambiatori di calore a piastre fisse sono il tipo di scambiatore di calore più comunemente utilizzato e sono stati sviluppati per 40 anni. Le piastre metalliche sottili sono impilate con una piccola distanza tra le piastre. Due diverse correnti d’aria passano attraverso questi spazi, adiacenti l’una all’altra. Il trasferimento di calore avviene quando la temperatura si trasferisce attraverso la piastra da un flusso d’aria all’altro.

L’efficienza di questi dispositivi ha mostrato valori del 90% di efficienza termica sensibile nel trasferimento del calore sensibile da un flusso d’aria a un altro. Gli alti livelli di efficienza sono attribuiti agli elevati coefficienti di scambio termico dei materiali utilizzati, alla pressione di esercizio e all’intervallo di temperatura.

Negli impianti HVAC il costo del condizionamento dell’aria esterna è molto elevato. Per tali sistemi, è essenziale utilizzare dispositivi di recupero energetico per ridurre questo carico. Pertanto, lo scambiatore di calore a piastre fisso aria-aria viene utilizzato negli edifici in cui l’aria di scarico della stanza viene fatta passare in un flusso e l’aria fresca ambiente viene fatta passare nell’altro flusso dello scambiatore di calore.

Questo scambiatore di calore ha due possibili tipi che sono: scambiatore di calore sensibile che recupera solo il calore sensibile e scambiatore di calore entalpico che utilizza una membrana e recupera sia il calore sensibile che quello latente (deumidifica l’aria fornita).

Perché preferisco le piastre fisse alla ruota

Vi sono varie ragioni per preferire lo scambio di calore con le piastre fisse:

• C’è una perdita incrociata nelle ruote di recupero di energia. La perdita incrociata attraverso le ruote di recupero di energia varia dal 2% al 5% tra i flussi di aria di alimentazione e di scarico. In molte applicazioni (specialmente dove sono presenti odori, agenti patogeni o altri inquinanti nocivi), è chiaramente inaccettabile che l’aria di scarico penetri nell’aria esterna o nel flusso d’aria fresca fornito allo spazio condizionato. Non voglio dare l’aria delle toilettes alla sala da pranzo.
• Il rimedio applicabile ai sistemi di ruote è aumentare il flusso d’aria in uscita pressurizzando così questo flusso d’aria. Finché viene mantenuto questo gradiente di pressione, la maggior parte della perdita è in uscita, riducendo, se non eliminando, il trasferimento dell’aria di scarico. Questo squilibrio può rappresentare una sostanziale inefficienza, ad es. possono essere necessari 700 CFM (piedi cubi al minuto) di aria in uscita per fornire 500 CFM allo spazio condizionato. Non è raro che la “perdita d’aria” rappresenti il ​​25-30% del flusso d’aria nominale di una ruota.
• Consumo energetico: per la rotazione della ruota è necessario un motore dedicato. Per i sistemi installati in climi freddi, un meccanismo di sbrinamento efficace richiederà un ulteriore assorbimento di potenza disponibile. Gli scambiatori di calore a piastre, invece, non hanno parti in movimento.
• La manutenzione è generalmente riconosciuta come il vero tallone d’Achille dei sistemi rotanti. La manutenzione ordinaria generalmente richiede lo smontaggio del gruppo, la pulizia / ricondizionamento della ruota, il rimontaggio e la ricalibrazione della meccanica. Questo è un processo lungo e costoso che richiede l’attenzione di un tecnico qualificato. Inoltre, durante il processo di manutenzione, non avviene alcun recupero di energia.