Articolo pubblicato da Michele Vio su CdA, aprile 2003

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1 Articolo pubblicato da Michele Vio su CdA, aprile 2003 In Europa è sempre maggiore l attenzione sul risparmio energetico, visto soprattutto come elemento fondamentale per ridurre le emissioni di gas serra in atmosfera. Nel campo del condizionamento dell aria l elevata efficienza sta diventando sempre di più un elemento importante per la scelta della macchina da installare. Senzaltro tutto ciò è positivo, ma non basta. Il problema energetico deve essere visto nel complesso dell impianto, non limitatamente al solo gruppo frigorifero. Si deve partire da un osservazione all apparenza banale: il risparmio maggiore lo genera una macchina ferma. Prima di pensare a come produrre l energia ci si deve chiedere se essa sia davvero indispensabile oppure ci siano degli altri sistemi naturali in grado di condizionare gli ambienti abitati, riducendo al minimo i consumi elettrici. La risposta è senzaltro positiva: in tutti gli impianti di climatizzazione si può far ricorso in gran parte dell anno si può utilizzare l aria esterna, opportunamente trattata, per e realizzare quello che comunemente viene chiamato il free-cooling diretto. In questo primo articolo sono descritti i vari sistemi di sfruttamento dell aria esterna per massimizzare il risparmio anche in un clima temperato, come quello italiano. Seguirà un secondo articolo che dimostrerà, tramite delle simulazioni per diverse tipologie d edificio, i vantaggi ottenibili con i sistemi di seguito descritti in città europee, italiane e del bacino mediterraneo. I risultati sono davvero sorprendenti, perché l ordine di grandezza del risparmio ottenibile anche in città considerate calde è nettamente superiore a quello raggiungibile con l utilizzo dei migliori gruppi frigoriferi in un impianto tradizionale senza freecooling. L esperienza del settore della telefonia fissa e mobile Nell immaginario collettivo il free-cooling è visto come un buon sistema per ottenere del risparmio energetico solamente in climi freddi, come quelli del nord Europa o, al massimo, dell Italia settentrionale. Nulla di più sbagliato: il primo sistema di climatizzazione conosciuto dall uomo, il raffreddamento adiabatico effettuato tramite le torri a vento, ha avuto origine nell antica Persia, paese dal clima non propriamente nordico. Pertanto ci si deve chiedere se e come sia possibile sfruttarlo anche nell area mediterranea, studiandone logiche e limiti di utilizzo. E stata l esperienza della climatizzazione nel settore della telefonia fissa e mobile a ispirare l indagine. Lavorando sulle condizioni ambiente, sulla distribuzione dell aria e sfruttando al massimo il free-cooling diretto negli ultimi 10 anni è stato possibile ridurre del 90% i consumi elettrici per il condizionamento, come dimostrano i due lavori citati in bibliografia [1] [2]. Nelle nuove centrali telefoniche di Telecom Italia il funzionamento dei compressori è diventato un eccezione, in tutte le località italiane, comprese quelle del meridione. Ci si è chiesti se la metodologia poteva essere applicata anche al settore civile, con le dovute correzioni. Come detto la risposta è stata nettamente positiva. Come si vedrà nel prossimo articolo, pur non raggiungendo, almeno ovunque, gli stessi risparmi del settore tecnologico, tuttavia lo sfruttamento del free-cooling porta a risultati estremamente lusinghieri. Ciò è vero se al tradizionale free-cooling si aggiungono semplici e facili accorgimenti in grado di incrementarne l efficacia. Di seguito si descrivono i sistemi utilizzabili. Il free cooling diretto In molti impianti capita spesso di dover raffreddare l ambiente non solamente in estate, ma anche nella mezza stagione o in inverno, quando la temperatura dell aria esterna è inferiore di quella mantenuta all interno dell edificio. Un esempio tra tutti è quello di un centro commerciale durante i giorni immediatamente precedenti alle vacanze natalizie: l affollamento delle persone e l illuminazione creano dei carichi endogeni ben superiori alle dispersioni di calore attraverso le pareti e le superfici vetrate, che devono, pertanto, essere smaltiti dall impianto di condizionamento. Per evitare un inutile spreco di energia, si può sfruttare direttamente la bassa temperatura dell aria esterna, inferiore a quella interna, immettendola direttamente nell ambiente. Si ottiene così un raffreddamento gratuito, free-cooling nella denominazione anglosassone. L aggettivo diretto è legato al fatto che l aria esterna viene inviata direttamente in ambiente, per distinguerlo dal freecooling indiretto, ottenuto sfruttando la bassa temperatura dell aria esterna per raffreddare l acqua di un circuito idraulico, da inviare ai terminali [2]. è sempre preferibile, quando sia possibile utilizzarlo, perché permette dei risparmi energetici più elevati. Esistono sostanzialmente quattro sistemi distinti per ottenere il free-cooling diretto: free-cooling tradizionale free-cooling assistito dal raffreddamento diretto free-cooling assistito dal raffreddamento adiabatico indiretto RC GROUP 1/9

2 free-cooling assistito dal raffreddamento adiabatico diretto ed indiretto Dei quattro sistemi, il primo è il meno efficiente, ma il più semplice, mentre l ultimo è in assoluto il più efficiente, ma richiede una regolazione più complessa. Nei prossimi paragrafi si approfondiscono pregi, difetti, modalità realizzative e le logiche di regolazione. Free-cooling tradizionale Il free-cooling tradizionale viene effettuato prelevando l aria interamente dall esterno quando questo sia energeticamente conveniente rispetto a trattare l aria di miscela. Per prima cosa bisogna pertanto capire quando il free-cooling faccia effettivamente risparmiare. Valgono le seguenti considerazioni: - per controllare le condizioni di un ambiente è necessario scambiare sia calore sensibile (per regolare la temperatura) che calore latente (per regolare l umidità specifica e relativa) - il controllo dell umidità relativa è fondamentale solamente per evitare che la stessa non superi un livello massimo, al di sopra del quale non vi sarebbero più le condizioni per il benessere ambientale - fatte queste due doverose premesse, si può dire che, in generale, il free-cooling è energeticamente conveniente quando l aria esterna ha un entalpia inferiore a quella dell aria interna - ciò è vero fino a quando vi è necessità di scambio sia di calore sensibile che di calore latente; quando invece vi è solo scambio di calore sensibile bisogna aggiungere come ulteriore vincolo che anche la temperatura dell aria esterna sia inferiore alla temperatura dell aria ambiente Questi concetti sono perfettamente sintetizzati nella Figura 1 in cui sono riportate sul diagramma ASHRAE le aree di convenienza per l uso del freecooling. Come si può notare, se l aria esterna si trova ad una temperatura ed un entalpia entrambe inferiori a quelle del punto d immissione teorico, l intero carico frigorifero è garantito in modo completamente gratuito dall immissione di aria esterna, secondo le logiche di regolazione descritte più avanti. Si ha quello che comunemente viene chiamato Free- Cooling Totale (area blu). Quando l aria esterna si trova ad un valore dell entalpia inferiore a quello dell aria d immissione, ma ad una temperatura superiore, si entra nell area del Free-Cooling Parziale (area azzurra). L aria esterna, da sola non riesce a smaltire la totalità del carico sensibile, ma solo una frazione di questo, perché la sua temperatura è superiore a quella necessaria al mantenimento delle condizioni ambiente desiderate. Pertanto è necessario che la restante parte del carico sensibile sia fornita dalla batteria fredda, alimentata da acqua refrigerata prodotta da un gruppo frigorifero, secondo le logiche di regolazione descritte di seguito. Vi è comunque un risparmio energetico inversamente proporzionale alla differenza tra temperatura dell aria esterna e temperatura teorica d immissione. Figura 1: aree di funzionamento del free-cooling diretto L area del free-cooling parziale comprende tutti i punti che abbiano valori di entalpia e temperatura inferiori a quelli dell aria ambiente. Le due condizioni devono sempre verificarsi assieme. L aria esterna può infatti avere un entalpia inferiore all aria ambiente, ma una temperatura superiore. Ciò avviene perché il valore di umidità specifica dell aria esterna è basso, sempre inferiore al valore dell umidità specifica del punto d immissione. In queste condizioni lo scambio di calore latente non è determinante, in quanto l umidità relativa dell ambiente è già inferiore al massimo valore consentito. Di contro, la potenza sensibile richiesta alla batteria fredda per diminuire la temperatura dal valore dell aria esterna a quello del punto d immissione sarebbe sempre superiore a quello richiesto per trattare l aria di miscela. Questa si trova sempre a temperatura inferiore a quella dell aria esterna, qualunque sia la percentuale di aria ricircolata. Se l aria esterna si trova in un punto con temperatura e entalpia inferiori a quelle dell ambiente, ma con umidità specifica superiore, il free-cooling è sempre conveniente sebbene alla batteria sia richiesto anche uno scambio di calore latente, oltre che sensibile, per portare l aria esterna alle condizioni d immissione. RC GROUP 2/9

3 In teoria vi è una piccola area in cui il freecooling è conveniente anche se la temperatura dell aria esterna è superiore alla temperatura ambiente, ma con entalpia inferiore. E il piccolo triangolo, visibile in figura 1 compreso tra la retta verticale a temperatura costante passante per l ambiente, la retta orizzontale a x costante passante per il punto d immissione e la retta a entalpia costante passante per l ambiente. Nei punti compresi all interno di quest area sarebbe conveniente usare il free-cooling perché la potenza totale scambiata è inferiore rispetto al prelevamento dell aria di miscela, sebbene la potenza sensibile sia superiore. Il condizionale è d obbligo, perché la logica di regolazione del sistema, per sfruttare anche questi punti, si complicherebbe enormemente, a fronte di un risparmio energetico davvero esiguo. Pertanto, nella pratica, quando l aria esterna si trova in questa piccola area triangolare, il free-cooling è sempre escluso. E interessante considerare il risparmio energetico conseguibile mediante l utilizzo del freecooling. La figura 2 mostra il risparmio conseguibile sia in termini unitari (W/kg d aria trattata) sia in termini percentuali sull intera potenza di trattamento, per diversi valori della temperatura ambiente al variare della temperatura esterna. Il grafici sono validi per umidità relativa dell aria rispettivamente del 55% per l ambiente e del 50% per l esterno ed una temperatura d immissione di 16 C. Dai due grafici si possono trarre delle conferme e delle indicazioni sicuramente interessanti: - il free-cooling è totale per temperatura dell aria esterna inferiore a quella del punto d immissione (nel caso in esame inferiori o uguali a 16 C) - la potenza termica risparmiata tramite il freecooling si azzera per temperature uguali e superiori a quella ambiente - per temperature intermedie si ha un risparmio che si riduce in maniera lineare all aumentare della temperatura, fino ad annullarsi completamente. - il risparmio è tanto maggiore quanto maggiore è la differenza tra temperatura ambiente e temperatura d immissione; ciò è vero sia in termini assoluti che in termini percentuali - il risparmio è sempre consistente, tale da consigliare sempre l uso del free-cooling - più alta è la temperatura ambiente, maggiore è il campo delle temperature sfruttabili per il frecooling Per ottimizzare l effetto del free-cooling diretto bisogna adottare una logica di regolazione coerente, in grado di regolare non solamente l apertura delle serrande, ma anche di impostare i set-point più adatti al funzionamento. figura 2: risparmio energetico conseguito con il free-cooling (valido per UR esterna = 50%, UR interna = 55%, temperatura d immissione = 16 C) La figura 3 mostra indicativamente lo schema di una centrale di trattamento con free-cooling diretto. In essa sono riportati gli elementi comuni a vari tipi d impianto (tutt aria, post-riscaldamento di zona, doppio canale, doppio condotto, VAV, ecc.). L aspetto più importante riguarda il canale di presa e di espulsione. Negli impianti che richiedono un afflusso di aria esterna nettamente inferiore alla portata d aria totale dell impianto, il recuperatore di calore, se presente, è dimensionato solamente per questa frazione della portata. Sostanzialmente sia il canale di presa che quello di espulsione si dividono in due parti: una è dimensionata sulla portata d aria di rinnovo e transita attraverso il recuperatore, mentre l altra lo by-passa e serve per il funzionamento in free-cooling con piena portata. Ovviamente i due tratti parallei devono essere dimensionati per avere uguale perdita di carico. Nel funzionamento normale, la serranda S2 lascia sempre aperta la via verso lo scambiatore, mentre la serranda S1 invia verso la camera di miscela la parte di portata da ricircolare e verso l espulsione la restante parte della portata. Nel RC GROUP 3/9

4 funzionamento in free-cooling, la serranda S2 chiude completamente la via al recuperatore, aprendo invece il by-pass, mentre a serranda S1 chiude completamente la via verso la camera di miscela e l intera portata viene prelevata dall esterno. Nel caso di scambiatori regolabili o escludibili, la via attraverso lo scambiatore stesso può essere sempre aperta. La serranda S2 si limita quindi ad aprire i canali aggiuntivi dell aria esterna. Legenda AE Aria esterna AR Aria ricircolo AS Aria espulsa AM aria miscela BC Batteria riscaldamento S Serranda BF Batteria raffreddamento F Filtro U Umidificatore Ven Ventilatore BP Batteria post-riscaldamento R Recuperatore Figura 3: schema indicativo di una centrale di trattamento con free-cooling diretto Il sistema di regolazione deve controllare in sequenza tutti gli organi dell impianto. La logica della regolazione consigliata è la seguente: regime invernale E caratterizzato dal fatto che il set-point degli ambienti è posto al valore minimo (ad esempio 20 C). La circolazione dell acqua è attiva nelle batterie di pre e post-riscaldamento mentre è interrotta nelle batterie fredde (gruppi frigoriferi fuori servizio). La batteria di preriscaldamento è controllata a punto fisso dalla temperatura letta dalla sonda T 1 posta a valle dell umidificatore (ad esempio 18 C). I vari locali sono mantenuti alla temperatura di 20 C (eventualmente modificabile dall utente nell arco di un paio di gradi) e sono regolati dai sistemi locali, diversi in funzione del tipo d impianto. Possono verificarsi due condizioni: tutti i locali richiedono riscaldamento oppure alcuni richiedono riscaldamento ed altri richiedono raffreddamento. Nel primo caso non si ha alcuna necessità dell uso del free-cooling, perché non è richiesto il raffreddamento. Nel secondo caso invece si e il funzionamento avviene nel seguente modo: a) Mano a mano che il carico da smaltire in un determinato locale aumenta, la regolazione locale comincia a chiudere l apporto di calore. Poiché la temperatura di mandata dalla centrale (quella regolata letta e regolata dalla sonda T 1 è inferiore al valore del set point) ad un certo punto viene immessa in ambiente aria a temperatura inferiore a quella ambiente (nell esempio 18 C contro 20 C), attivando di fatto il raffreddamento b) Qualora la temperatura di immisssione non fosse sufficiente a smaltire il carico termico, la temperatura dell ambiente a maggior carico tenderebbe a salire oltre il valore impostato. Il raggiungimento di una certa soglia (esempio SET + 0,7 C: 20,7 C nell esempio) fa intervenire una compensazione verso il basso del set point della batteria calda, in modo continuo o discreto, dal valore iniziale fino ad un valore inferiore, generalmente quello della batteria fredda (esempio 16 C). c) Il valore di SET letto dalla sonda T 1 comanda in sequenza prima la valvola V 1 della batteria calda, portandola fino alla totale chiusura. Se con la batteria completamente inattiva la temperatura in uscita fosse ancora troppo elevata, significa che il valore della temperatura della miscela tra aria ambiente ed aria passante per il recuperatore è ancora troppo elevata. Come prima cosa il sistema regola la quantità di calore recuperata, se il recuperatore permette una simile funzione. d) Se invece il regolatore non lo permette, oppure quando questo sia completamente escluso, ma la temperatura letta da T 1 fosse ancora troppo elevata, il sistema comincia ad attivare il freecooling (ovviamente deve avere un consenso dalla lettura combinata di entalpia e temperatura di aria esterna ed ambiente, intesa questa come aria di ripresa, media delle condizioni dei vari ambienti e letta dalla sonda T 2 ; in condizioni di regime invernale l aria esterna dovrebbe sempre essere a temperatura e entalpia inferiore alla temperatura ambiente). La serranda S 2 si posiziona nella posizione di free-cooling mentre le serrande S 1 si muovono per mantenere costante la temperatura letta dalla sonda T 1, fino ad aprirsi completamente (condizione difficilmente raggiungibile in rgime invernale). Si ha un free-cooling totale. RC GROUP 4/9

5 e) Il ciclo inverso si ha non appena la temperatura ambiente in un qualunque locale scenda al di sotto di un certo valore di soglia (ad esempio SET 0,7 C: 19,3 C nell esempio). Il sistema inverte tutto il ciclo di funzionamento, a partire dal punto d fino a raggiungere il punto a. regime estivo E caratterizzato dal fatto che il set-point degli ambienti è posto ad un valore superiore al minimo e sicuramente vi è la necessità di raffreddamento. La circolazione dell acqua è attiva nelle batterie di postriscaldamento e fredda, mentre è interrotta nella batteria di pre-riscaldamento. L aria in mandata all impianto è mantenuta al valore del set-point della batteria fredda (ad esempio 16 C) misurato e controllato dalla sonda T1. La logica di regolazione, molto semplice, è la seguente: a) il sistema di controllo verifica se l aria esterna è in condizioni tali da consentire l uso del freecooling, ovvero la sua temperatura e entalpia è inferiore a quella dell aria esterna. Se così è, le serrande S 1 e S 2 si posizionano in modo da prelevare tutta aria esterna b) la batteria fredda provvede a trattare ulteriormente l aria per portarla nelle condizioni di immissione. Si è in presenza di free-cooling parziale. Free-cooling assistito dal raffreddamento adiabatico diretto E possibile incrementare i risultati ottenuti con il free-cooling utilizzando il raffreddamento adiabatico. Umidificando l aria è possibile raffreddarla in modo assolutamente gratuito. Se durante il funzionamento in free-cooling si umidifica l aria esterna si abbassa la sua temperatura allargando il campo di temperature utilizzabile per il free-cooling. Figura 4: aree di funzionamento del free-cooling con umidificazione adiabatica diretta La Figura 4 mostra sul diagramma ASHRAE le aree per le quali è possibile utilizzare il free-cooling totale o parziale. Si riesce ad ottenere il free-cooling totale per tutte quelle condizioni termoigrometriche caratterizzate da una entalpia inferiore a quella del punto teorico d immissione (area blu). Per tutti i punti con entalpia compresa tra quella del punto d immissione e quella uguale al punto 1 (intersezione tra la retta orizzontale a x uguale a quella d immissione e la retta verticale a temperatura uguale a quella ambiente), purché con umidità specifica inferiore a quella d immissione, è possibile ottenere del free-cooling parziale, attivando il raffreddamento adiabatico (area più chiara a destra). Nel diagramma si evidenzia anche l area triangolare grigia, compresa tra la retta dell entalpia del punto ambiente e la retta a umidità specifica pari al valore d immissione, dove è possibile sfruttare il free-cooling, ma l umidificazione deve essere interdetta, perché porterebbe ad un aumento della spesa energetica dovuta al maggior carico latente richiesto alla batteria fredda. Nell area bianca, compresa tra la retta dell entalpia del punto 1 e quella del punto ambiente, pur caratterizzata da valori dell entalpia inferiori di quella ambiente, non è conveniente utilizzare il free-cooling perché porterebbe ad un aumento della spesa energetica dovuto al maggior carico sensibile richiesto alla batteria fredda. Come si vede, l area di utilizzo del free-cooling è nettamente aumentata, soprattutto nella zona caratterizzata da elevate temperature, ma bassa umidità relativa, peraltro poco frequenti nel clima mediterraneo. L aumento è tanto maggiore quanto più bassa è l umidità relativa. Infatti è necessario che il punto di uscita non sia mai ad un valore di umidità specifica superiore a quello del punto d immissione teorico, perché altrimenti l umidità specifica in ambiente tenderebbe ad aumentare o si richiederebbe alla batteria fredda un incremento di potenza. Poiché l utilizzo o meno del raffreddamento adiabatico dipende dal punto teorico d immissione ed in particolare dalla sua umidità specifica, va da sé che, con il variare delle stagioni, muta sia il punto d immissione teorico che l area di sfruttamento dell umidificazione adiabatica. La figura 4 mostra il risparmio conseguibile, sia in termini unitari assoluti (W/kg d aria trattata), sia percentualmente sulla potenza totale richiesta dal trattamento, con un sistema a free-cooling unito assistito dal raffreddamento adiabatico dell aria esterna. Il grafici sono validi per umidità relativa dell aria rispettivamente del 55% per l ambiente e RC GROUP 5/9

6 del 50% per l esterno ed una temperatura d immissione di 16 C in saturazione. Come si può notare il free-cooling è totale fino ad una temperatura dell aria esterna di 22 C, indipendentemente dalla temperatura mantenuta all interno degli ambienti. Per valori superiori il risparmio decresce rapidamente in modo diverso a seconda della temperatura mantenuta in ambiente. In ogni caso il sistema garantisce prestazioni energetiche decisamente superiori al solo freecooling tradizionale. La differenza è elevata in tutto il campo delle temperature utili per il free-cooling, ma ha un massimo spostato verso i valori più elevati, laddove invece era carente il sistema di free-cooling tradizionale. Figura 5: risparmio energetico conseguito con il free-cooling assistito dal raffreddamento adiabatico dell aria esterna (valido per UR esterna = 50%, UR interna = 55%, temperatura d immissione = 16 C in saturazione) Va ricordato che questi vantaggi sono raggiunti con umidità dell aria esterna relativamente basse (50%). Tuttavia, poiché il sistema è uguale a quello tradizionale, perché cambia solo la logica di regolazione), al massimo i suoi risultati sono allineati a quelli raggiunti con il sistema senza raffreddamento adiabatico. Dal punto di vista costruttivo il sistema con freecooling diretto assistito dal raffreddamento adiabatico dell aria esterna è assolutamente uguale al sistema tradizionale mostrato in figura 3 L unica differenza riguarda solamente il dimensionamento ed il posizionamento dell umidificatore sulla linea di mandata che deve essere ora verificato anche per far fronte al funzionamento nel periodo estivo e deve essere necessariamente posto a monte della batteria fredda E più complicata solamente la logica di regolazione nel regime estivo, essendo assolutamente uguale quella nel regime invernale. Infatti si deve tener presente di un ulteriore fattore, ovvero l umidità specifica che non deve essere mai superiore di quella del punto teorico d immissione. Questa, però, è conosciuto a priori per ogni singola temperatura ambiente mantenuta. Basta avere a disposizione un computer per poter calcolare, nota perché misurata l entalpia, quale deve essere la temperatura a valle dell umidificatore, che deve necessariamente essere modulabile. regime estivo La circolazione dell acqua è attiva nelle batterie di post-riscaldamento e fredda, mentre è interrotta nella batteria di pre-riscaldamento.l aria in mandata all impianto è mantenuta al valore del set-point della batteria fredda (ad esempio 16 C) misurato e controllato dalla sonda T 1. La logica di regolazione, molto semplice, è la seguente: a) il sistema di controllo verifica se l aria esterna è in condizioni tali da consentire l uso del freecooling: l aria esterna deve essere ad un entalpia inferiore di quella del punto 1, individuato dall intersezione della retta della temperatura di set point ambiente e la retta di umidità specifica del punto teorico d immissione, se l aria esterna ha un umidità specifica inferiore al punto teorico d immissione; se viceversa la sua umidità specifica è superiore, basta che l entalpia sia inferiore a quella della massima condizione ambiente permessa. Le condizioni sono evidenziate nella figura 4. Ovviamente la verifica va fatta attraverso un semplice algoritmo posto in un PLC. Se così è, le serrande S 1 e S 2 si posizionano in modo da prelevare tutta aria esterna e bypassare il recuperatore. b) L umidificatore raffredda adiabaticamente l aria esterna fino ad una certa temperatura misurata dalla sonda T 1. Il valore di questa temperatura è ricavato per avere la stessa entalpia dell aria esterna ed un valore di umidità specifica pari a quella del punto d immissione teorico. Il calcolo viene effettuato da un semplice algoritmo posto in un PLC. Se il valore dell umidità specifica dell aria è uguale o superiore a quallo del punto RC GROUP 6/9

7 teorico d immissione, l umidificazione si ferma automaticamente. c) Se la temperatura a valle dell umidificatore risultasse superiore a quella del punto teorico d immissione. la batteria fredda provvede a trattare ulteriormente l aria per portarla nelle condizioni di immissione tramite il comando ricevuto dalla sonda T 2 il cui valore di set point corrisponde a quello della temperatura teorica d immissione. Come già ricordato in precedenza, con questo sistema l ambiente viene sempre tenuto al massimo valore di UR consentito e il punto teorico d immissione corrisponde sempre a quello reale. Free-cooling assistito dal raffreddamento adiabatico indiretto E possibile aumentare l efficacia del sistema free-cooling tradizionale anche raffreddando adiabaticamente l aria d espulsione, facendola transitare per uno scambiatore di calore solo sensibile per raffreddare l aria esterna immessa in ambiente. Si ottiene quello che è comunemente chiamato raffreddamento adiabatico indiretto. Se l ambiente viene mantenuto ad un UR = 55%, l aria espulsa può esssere raffreddata adibaticamente fino a 16 C, se l ambiente si trova a 22 C, fino a 17,8 C, se l ambiente si trova a 24 C e fino a 19,5 C, se l ambiente si trova a 26 C. L aria di espulsione può quindi raffreddare l aria esterna in alcune condizioni, permettendo di aumentare il campo di temperature nel quale è sfruttabile il freecooling ed ottenendo un maggiore risparmio. La figura 6 mostra il risparmio conseguibile, sia in termini unitari assoluti (W/kg d aria trattata), sia percentualmente sulla potenza totale richiesta dal trattamento, con un sistema a free-cooling unito ad un recupero di calore con umidificazione dell espulsione. Il grafici sono validi per umidità relativa dell aria rispettivamente del 55% per l ambiente e del 50% per l esterno, una temperatura d immissione di 16 C in saturazione ed efficienza dello scambiatore pari a 0,65. Come si può notare, i risultati sono ottimi. Il campo di utilizzo delle temperature esterne si allarga notevolmente. Il risparmio si mantiene molto elevato in tutta l area in cui il free-cooling è attivo. Rispetto al free-cooling tradizionale la differenza di risparmio è tanto più accentuata quanto più alta è la temperatura dell aria esterna. Il sistema è più complesso rispetto al freecooling tradizionale e sicuramente più costoso. La figura 7 mostra lo schema di una centrale di trattamento dell aria dotata di questo sistema. Rispetto allo schema di figura 3 si notano subito le subito differenze principali. Il recuperatore di calore deve essere dimensionato per l intera portata dell aria. Analogamente deve essere dimensionato per l intera portata d aria l umidificatore posto sulla tubazione di espulsione. Inoltre lo scambiatore deve essere escludibile: in questo modo si può anche evitare di inserire la serranda S2. Se invece lo scambiatore non è del tipo escludibile è necessario provvedere a costruire una canalizzazione di bypass, per poterlo escludere in alcune condizioni di funzionamento descritte di seguito. Ciò fa ovviamente aumentare i costi di installazione, a fronte di un sicuro vantaggio economico durante il funzionamento. Sicuramente il sistema è tanto più conveniente quanto maggiore è la portata d aria di rinnovo rispetto al totale: in questo modo la differenza di costo per l inserimento di un recuperatore di dimensioni maggiori è minore. Nel caso l impianto dovesse funzionare con sola aria esterna, la differenza di costo sarebbe dovuta solo alla presenza del secondo umidificatore e, pertanto, diventerebbe irrilevante. Figura 6: risparmio energetico conseguito con il free-cooling assistito dal raffreddamento adiabatico indiretto (valido per UR esterna = 50%, UR interna = 55%, temperatura d immissione = 16 C in saturazione) La logica di regolazione nel regime invernale (free-cooling totale)è del tutto analoga a quella descritta nel capitolo precedente. Varia invece nel regime estivo, quando entra in funzione il freecooling parziale. RC GROUP 7/9

8 A parte all eventuale campo di temperature in cui è attivo il free-cooling, ma la temperatura di bulbo umido dell aria di espulsione è superiore a quella dell aria esterna, il recuperatore è sempre attivo, mentre l umidificazione sull espulsione è attiva solamente nel regime estivo. Legenda AE Aria esterna AR Aria ricircolo AS Aria espulsa AM aria miscela BC Batteria riscaldamento S Serranda BF Batteria raffreddamento F Filtro U Umidificatore Ven Ventilatore BP Batteria post-riscaldamento R Recuperatore Figura 7: schema indicativo di una centrale di trattamento con free-cooling indiretto Free-cooling assistito dal raffreddamento adiabatico sia diretto che indiretto L ultimo sistema preso in considerazione è la combinazione del secondo e del terzo. Si inserisce il concetto dello sfruttamento del raffreddamento adiabatico dell aria esterna ad un sistema dotato di recuperatore di calore sensibile e umidificazione dell aria di espulsione. Il sistema è in assoluto il più efficiente su tutto l arco di temperature. La figura 8 mostra il risparmio conseguibile, sia in termini unitari assoluti (W/kg d aria trattata), sia percentualmente sulla potenza totale richiesta dal trattamento. I grafici sono validi per umidità relativa dell aria rispettivamente del 55% per l ambiente e del 50% per l esterno ed una temperatura d immissione di 16 C in saturazione. regime estivo La circolazione dell acqua è attiva nelle batterie di post-riscaldamento e fredda, mentre è interrotta nella batteria di pre-riscaldamento. L aria in mandata all impianto è mantenuta al valore del set-point della batteria fredda (ad esempio 16 C) misurato e controllato dalla sonda T1. La logica di regolazione, molto semplice, è la seguente: a) il sistema di controllo verifica se l aria esterna è in condizioni tali da consentire l uso del freecooling, ovvero la sua temperatura e entalpia è inferiore a quella dell aria ambiente. Se così è, le serrande S 1 si posizionano in modo da prelevare tutta aria esterna b) in base alla temperatura dell aria di ripresa, misurata dalla sonda T 2 e della temperatura esterna, il sistema di regolazione attiva o meno il recuperatore e l umidifcatore sull espulsione. Lo attiva se la temperatura a bulbo umido dell aria di espulsione è inferiore alla temperatura dell aria esterna, lo disattiva se è superiore c) la batteria fredda provvede a trattare ulteriormente l aria per portarla nelle condizioni di immissione. Si è in presenza di free-cooling parziale. Figura 8: risparmio energetico conseguito con il free-cooling assistito dal raffreddamento adiabatico sia diretto che indiretto (valido per UR esterna = 50%, UR interna = 55%, temperatura d immissione = 16 C in saturazione) RC GROUP 8/9

9 Come si può notare il free-cooling è totale fino ad una temperatura dell aria esterna di 24 C (25 C nel caso di ambiente mantenuto a 22 C). Per valori superiori il risparmio decresce rapidamente in modo diverso a seconda della temperatura mantenuta in ambiente. Lo schema della centrale di trattamento è sostanzialmente uguale a quella di figura 7, dimensionata come descritto in precedenza. L unica differenza riguarda l umidificatore sulla linea di mandata posto necessariamente a monte della batteria fredda. E più complicata solamente la logica di regolazione nel regime estivo, essendo assolutamente uguale quella nel regime invernale. Infatti si deve tener presente di un ulteriore fattore, ovvero l umidità specifica che non deve essere mai superiore di quella del punto teorico d immissione. Questa, però, è conosciuto a priori per ogni singola temperatura ambiente mantenuta. Basta avere a disposizione un computer per poter calcolare, nota perché misurata l entalpia, quale deve essere la temperatura a valle dell umidificatore, che deve necessariamente essere modulabile. regime estivo La circolazione dell acqua è attiva nelle batterie di post-riscaldamento e fredda, mentre è interrotta nella batteria di pre-riscaldamento. L aria in mandata all impianto è mantenuta al valore del set-point della batteria fredda (ad esempio 16 C) misurato e controllato dalla sonda T 2. La logica di regolazione, molto semplice, è la seguente: a) il sistema di controllo verifica se l aria esterna è in condizioni tali da consentire l uso del freecooling, ovvero la sua temperatura e entalpia è inferiore a quella dell aria ambiente. Se così è, le serrande S 1 si posizionano in modo da prelevare tutta aria esterna b) in base alla temperatura dell aria di ripresa, misurata dalla sonda T 2 e della temperatura esterna, il sistema di regolazione attiva o meno il recuperatore e l umidificatore sull espulsione. Lo attiva se la temperatura a bulbo umido dell aria di espulsione è inferiore alla temperatura dell aria esterna, lo disattiva se è superiore c) L umidificatore raffredda adiabaticamente l aria esterna uscita dal recuperatore fino ad una certa temperatura misurata dalla sonda T 1. Il valore di questa temperatura è ricavato per avere la stessa entalpia dell aria esterna ed un valore di umidità specifica pari a quella del punto d immissione teorico. Il calcolo viene effettuato da un semplice algoritmo posto in un PLC. Se il valore dell umidità specifica dell aria è uguale o superiore a quello del punto teorico d immissione, l umidificazione si ferma automaticamente. d) la batteria fredda provvede a trattare ulteriormente l aria per portarla nelle condizioni di immissione. Si è in presenza di free-cooling parziale. Bibliografia: [1] M. Vio, M. Grossoni: L evoluzione degli impianti di condizionamento negli edifici dedicati alla tecnologia dell informazione e della comunicazione Atti del Convegno AICARR Condizionamento, Riscaldamento, Refrigerazione: innovazioni e tendenze sessione Condizionamento, Milano marzo 2002 [2] M. Vio, R.Trecate: La progettazione del risparmio energetico negli edifici dedicati alla tecnologia dell informazione e della comunicazione Atti del Convegno AICARR Condizionamento, Riscaldamento, Refrigerazione: innovazioni e tendenze sessione Condizionamento, Milano marzo 2002 Gli articoli citati sono disponibili all indirizzo web Per accedere ai documenti bisogna registrarsi. Per trovarli facilmente, si deve digitare una qualunque parola del titolo nella casella Cerca nel sito in home page. RC GROUP 9/9