STUDIO SUL SISTEMA DI ZONIFICAZIONE CANALIZZATA DI AIRZONE E COMPARAZIONE DELLO STESSO CON UN SISTEMA CANALIZZATO INVERTER NON ZONIFICATO

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1 STUDIO SUL SISTEMA DI ZONIFICAZIONE CANALIZZATA DI AIRZONE E COMPARAZIONE DELLO STESSO CON UN SISTEMA CANALIZZATO INVERTER NON ZONIFICATO 2012

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3 INDICE 1. INTRODUZIONE: PREMESSA E OBIETTIVI METODOLOGIA SISTEMI OGGETTO DELLO STUDIO CLIMATIZZATORE CANALIZZATO INVERTER NON ZONIFICATO MACCHINA INVERTER CON SISTEMA DI ZONIFICAZIONE E INTERFACCIA DI COMUNICAZIONE CLIMATIZZATORE INVERTER CON SISTEMA DI ZONIFICAZIONE, INTERFACCIA DI COMUNICAZIONE E ALGORITMO DI EFFICENZA ENERGETICA ABITAZIONE OGGETTO DELLO STUDIO RISULTATI COMFORT RSIPARMIO ENERGETICO CONCLUSIONI

4 1. INTRODUZIONE: PREMESSA E OBIETTIVI Nei paesi sviluppati si calcola che il 40% del consumo finale di energia è assorbito dagli edifici e che circa il 50% di quest ultimo è deputato ai sistemi di raffreddamento e riscaldamento. In Italia il crescente interesse per la riduzione del consumo energetico negli edifici è dimostrato dalla pubblicazione del Decreto del Presidente della Repubblica, 2 aprile 2009, n. 59, Regolamento di attuazione dell articolo 4, comma 1, lettere a) e b) del Decreto Legislativo 19 Agosto 2005, n. 192, concernente l attuazione della direttiva 2002/91/CE sul rendimento energetico in edilizia. Concretamente, l obiettivo è di contribuire al rispetto dell ambiente mediante la promozione dell uso razionale delle risorse energetiche, sia nei nuovi impianti che si progettano, sia in fase di rinnovo. Seguendo questa iniziativa, la società Airzone, produttrice di sistemi di zonificazione integrati con unità inverter, propone di valutare la convenienza di questa tipologia di sistema dal punto di vista del comfort degli utilizzatori, della potenza termica installata e del consumo elettrico annuo, rispetto ad una installazione con macchina inverter non zonificata. Attualmente non esiste sul mercato nessuno strumento che calcoli il risparmio che una unità inverter con sistema di zonificazione può ottenere rispetto alla stessa unità inverter senza zonificazione. Pertanto, per lo sviluppo del presente studio, è stato creato un modello di sistema multizona unito ad una unità di climatizzazione canalizzata con inverter ed in seguito ne sono state simulate le condizioni reali di funzionamento. La principale differenza rispetto ai normali calcoli di fabbisogno termico è da ricercare nel fatto che, mediante l integrazione tra la macchina canalizzata ed il sistema di zonificazione, è possibile identificare quali zone sono o meno in regime di domanda e di conseguenza proporre un bilancio termico senza considerare la temperatura e di conseguenza il consumo nelle zone inattive. Questo effetto è molto importante inoltre in quanto fa sì che le condizioni termiche di contorno alle zone attive vari in funzione della attività del sistema di zone che non climatizza indistintamente tutti gli spazi. 4

5 2. METODOLOGIA Le differenti versioni del sistema di zonificazione con integrazione sviluppato da Airzone variano soprattutto dal punto di vista del controllo della temperatura. Pertanto, saranno presi in esame i risultati ottenuti per ogni singola versione, allo scopo di conoscere quali tipologie di controllo garantiscono un maggiore risparmio in termini di consumo elettrico. Le temperature di comfort in ambiente, per tutte le prove realizzate nel presente studio, sono stabilite nell intervallo compreso tra i 21ºC e 24ºC. Da tenere in considerazione però che, come vedremo più avanti, questo intervallo di temperatura può essere modificato nei sistemi con zonificazione integrata ed algoritmo di gestione energetica ECOADAPT visto che, l obiettivo dell algoritmo, consiste nella riduzione del consumo energetico dell installazione tramite l imposizione di temperature in ambiente in base a diversi livelli di efficienza energetica. Per quanto riguarda il funzionamento della installazione è da chiarire che, se la temperatura di qualsiasi zona si mantiene nell intervallo di confort sopra chiarito, il sistema rimane spento. Diversamente, se la temperatura di uno qualsiasi degli ambienti è superiore o inferiore all intervallo stabilito, il sistema funziona rispettivamente in modalità freddo per raggiungere e mantenere la temperatura di 24ºC o in modalità caldo per raggiungere e mantenere la temperatura di 21ºC. Figura 1: Definizione del funzionamento della installazione in base alle temperature A prescindere dal sistema di zonificazione considerato la macchina canalizzata utilizzata come riferimento è sempre la stessa; in concreto, la tecnologia utilizzata è l inverter ad espansione diretta. La caratteristica peculiare di questa tecnologia è che nel funzionamento a carico parziale, il coefficiente di efficienza della macchina (COP) migliora in modo proporzionale alla riduzione di carico in ambiente che il compressore deve dissipare. Vale a dire, minore è il carico richiesto dagli ambienti e maggiore è il COP di funzionamento. La figura di seguito mostra la curva di efficienza a carico parziale, misurata tramite lo strumento Calener BD, del modello RXYSQ4PV della generazione Mini VRV III di Daikin. Figura 2: Curva di andamento del COP della unità esterna in funzionamento a carico parziale 5

6 3. SISTEMI OGGETTI DELLO STUDIO I diversi sistemi presi in esame nel presente studio sono quelli indicati di seguito CLIMATIZZATORE CANALIZZATO INVERTER NON ZONIFICATO Nei settori residenziale e terziario di piccola e media potenza, si utilizzano con frequenza sistemi a tutta aria costituiti da climatizzatori canalizzati inverter ad espansione diretta ed una rete di condotti di distribuzione d aria a portata costante. Questo tipo di installazione è caratterizzata da un unico controllo della temperatura (termostato della macchina, T1 in Figura 3) installato in una zona campione (Zona 1 in Figura 3); per quanto riguarda il resto delle zone gestite dall impianto, pur avendo una rete di condotti di distribuzione ben progettata e la potenza massima scelta in modo corretto, se le zone da servire non presentano caratteristiche termofrigorifere similari a quelle della zona dove è installato il termostato, le temperature di queste zone potranno essere fuori dall intervallo di comfort. La figura 3 mostra uno schema del sistema oggetto di analisi. Figura 3: schema di un impianto non zonificato 3.2. MACCHINA INVERTER CON SISTEMA DI ZONIFICAZIONE E INTERFACCIA DI COMUNICAZIONE Il principale vantaggio che presenta questo sistema, oltre alla puntale regolazione di temperatura nei singoli locali, è costituito dalla presenza di una interfaccia di comunicazione tra la scheda di controllo centrale del sistema di zonificazione e l unità interna canalizzata. L integrazione tra i due sistemi consente di gestire tramite il sistema di zonificazione e quindi tramite le richieste provenienti dai diversi ambienti i seguenti parametri dell unità canalizzata: a) Modo di funzionamento dell installazione: Il modo di funzionamento (caldo, freddo, ventilazione e deumidificazione) sarà da impostare unicamente sul termostato maestro del sistema di zonificazione che, a sua volta, ne gestirà il cambio anche sul climatizzatore. 6

7 b) Temperatura impostata sul climatizzazione (set point sul comando): Sarà impostata una temperatura sul climatizzatore pari, o alla più alta tra quelle impostate nei vari termostati in modo di funzionamento caldo o la più bassa tra quelle impostate nei vari termostati in modo di funzionamento freddo. c) Velocità del ventilatore: Visto che il ventilatore delle macchine canalizzate, dispone di differenti velocità impostabili ne sarà fissata una in funzione del numero di zone in regime di domanda in ogni momento. Il criterio di impostazione della velocità dipende dalla percentuale di zone in regime di domanda rispetto al totale ed al loro grado di parzializzazione di apertura. Nella figura 4 viene mostrato uno schema di massima dello scambio di informazioni stabilito tra l unità interna canalizzata e l interfaccia di comunicazione del sistema di zonificazione: Figura 4: Schema dello scambio di informazioni sistema di zonificazione macchina canalizzata Inoltre, l introduzione della gestione delle velocità di ventilazione dell unità canalizzata consente, previo opportune verifiche, l eliminazione della serranda di sovrappressione (bypass) trasformando di fatto l installazione con macchina canalizzata e sistema di zonificazione in un sistema a portata variabile. In merito a quanto sopra è stata realizzata una analisi delle prestazioni energetiche dell impianto a seguito dell eliminazione del bypass, tale analisi ha comprovato un risparmio del consumo energetico annuo compresa tra lo 0,6% e il 3,2% (a seconda della località in cui è installato l impianto e della sua configurazione). 7

8 3.3. CLIMATIZZATORE INVERTER CON SISTEMA DI ZONIFICAZIONE, INTERFACCIA DI COMUNICAZIONE E ALGORITMO DI EFFICIENZA ENERGETICA Il DPR 412/93 integrato con il DPR 551/99 e il DLGS 626/94 stabiliscono limiti riguardanti le temperature interne da mantenere nei locali, sia che si tratti di abitazioni sia che si tratti di zone di lavoro. In concreto, stabiliscono una temperatura minima in estate pari a 26ºC e una temperatura massima in inverno pari a 20ºC. Con l obiettivo di rispettare quanto sopra, Airzone propone la gestione energetica delle installazioni ad espansione diretta utilizzando un algoritmo di efficienza energetica presente sui termostati della linea BlueFace, l algoritmo Ecoadapt. Ecoadapt consente, a discrezione dell utilizzatore finale dell impianto, di limitare le temperature impostabili sui termostati del sistema di zonificazione in modo sempre più restrittivo a seconda del livello di efficienza energetica che si desidera ottenere, nel dettaglio: Manuale: La temperatura impostata sul termostato Blueface è il limite massimo o minimo di tutte le zone Efficienza a livello A: Modo freddo: 24 C Modo caldo 21 C Efficienza a livello A+: Modo freddo: 25 C Modo caldo 20,5 C Efficienza a livello A++: Modo freddo: 26 C Modo caldo 20 C Di seguito, viene rappresentato il grafico di ASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating and Air Conditioning Engineers), che mostra le zone di confort termico accettabile riscontrabili sull 80% delle persone, con un attività fisica sedentaria e un abbigliamento adeguato. Figura 5: intervalli delle temperature di confort per occupanti con abbigliamento adeguato a un attività sedentaria I livelli di attività e abbigliamento per i quali sono stati definiti gli intervalli di comfort della figura 5 sono paragonabili alle condizioni riscontrabili nelle abitazioni; da questo si può facilmente verificare che, gli intervalli di temperatura proposti per l algoritmo Ecoadapt garantiscono anche nelle condizioni più restrittive, le condizioni di confort degli occupanti. 8

9 4. ABITAZIONE OGGETTO DELLO STUDIO Il presente studio è stato realizzato utilizzando il programma di simulazione TRNSYS. Utilizzando questa piattaforma di calcolo è stata definita una abitazione tipo rappresentata nella figura 6 e sulla stessa, sono stati integrati i modelli matematici dei sistemi di climatizzazione definiti in precedenza. Lo studio e i suoi risultati sono stati ottenuti mediante prove sperimentali eseguite su macchine ad espansione diretta installate in una doppia camera climatica. Questa è composta da due camere affiancate, ma indipendenti tra loro che possono essere programmate per garantire diverse condizioni di temperatura e umidità. In questo modo è possibile quantificare la variazione delle condizioni di lavoro della macchina e il COP in funzione delle temperature di lavoro, del contenuto di umidità dell'aria sul ritorno per entrambe le batterie e della portata dell aria in mandata dell'unità interna. L idea consiste nel determinare il comportamento dell unità in un intervallo di condizioni di funzionamento su un impianto reale. Figura 6: pianta dell abitazione oggetto dello studio L abitazione presenta cinque zone climatiche differenti (salotto, cucina, studio, camera da letto matrimoniale e camera da letto dei bambini), l area restante è considerata una zona climatica unica non condizionata. La superficie della zona climatizzata è di 121 m 2, distribuiti come definito dalla tabella 1: Salotto Cucina SUPERFICIE (m 2 ) Camera da letto genitori Camera da letto bambini Studio 38,7 21,1 18,6 18,6 24,0 Tabella 1: superficie in metri quadri degli ambienti della abitazione studiata 9

10 Il DPR 412/93 suddivide il territorio nazionale italiano in 6 zone climatiche, in funzione del parametro Gradi Giorno, come indicato nella figura 7: Figura 7: zone climatiche definite dal DPR 412/93 Pertanto, la simulazione è stata realizzata per le località indicate di seguito: Gradi Giorno Zona climatica Località Da 901 a 1400 C Napoli Da 1401 a 2100 D Roma Da 2101 a 3000 E Milano Tabella 2: località oggetto dello studio Per quanto riguarda il dimensionamento dei climatizzatori da utilizzare con le due tipologie di impianto precedentemente descritte (canalizzata inverter con sistema di zonificazione integrata e canalizzata inverter non zonificata), sono state tenute in considerazione le temperature definite all'inizio di questa sezione: 21ºC in modalità caldo e 24ºC in modalità freddo. Per la applicazione studiata, in tutte le zone climatiche prese in esame, il risultato ottenuto conferma che il dimensionamento di una macchina inverter con sistema di zonificazione integrata comporta una riduzione della potenza del climatizzatore. Dimensionare correttamente la macchina inverter è fondamentale, in quanto se si sceglie un modello di potenza superiore, l installazione risulta sovradimensionata e non si sfrutta al massimo il regime di lavoro inverter dello stesso. In effetti e come è noto, la quantità di gas 10

11 refrigerante in circolo nell installazione non può essere ridotta arbitrariamente in quanto esiste una quantità minima al di sotto della quale il compressore smette di funzionare come un sistema inverter per convertirsi in un normale sistema ON/OFF. La riduzione di potenza del climatizzatore vuole evitare questo tipo di situazione. Nella tabella 3 sono riassunti i modelli di climatizzatori inverter selezionati per ogni zona climatica. Modello Zona climatica Località Con sistemi di zonificazione Senza sistemi di zonificazione C Napoli PUHZ RP100 PUHZ RP125 D Roma PUHZ RP100 PUHZ RP125 E Milano PUHZ RP71 PUHZ RP100 Tabella 3: modelli dei climatizzatori inverter selezionati per ogni sistema e zona climatica 11

12 5. RISULTATI In base a quanto definito nell introduzione, l obiettivo del presente studio è comparare la convenienza delle differenti tipologie di installazione e configurazione dei sistemi sotto il profilo del consumo elettrico annuale e del livello di comfort ottenuto con l utilizzo di ogni sistema COMFORT Nella tabella 4 sono mostrate le percentuali di comfort ottenute da ogni differente sistema di controllo per località studiate. Questa comparazione è stata effettuata tra il sistema inverter non zonificato e il sistema inverter con zonificazione integrata, senza tenere in considerazione l algoritmo di gestione energetica Ecoadapt. Si è considerata come in stato di comfort la zona la cui temperatura è compresa nell intervallo tra i 21ºC e 24ºC. Le ore in cui il sistema è spento o nelle quali non esiste domanda in nessuna delle zone, non sono state prese in considerazione nello studio. In altri termini, le percentuali ricavate sono state calcolate, in funzione del numero di ore di funzionamento per l impianto con macchina inverter non zonificata e del numero di ore durante le quali le zone sono in regime di domanda nel caso del sistema zonificato. SALOTTO CUCINA CAMERA DA LETTO GENITORI CAMERA DA LETTO BAMBINI Con sistema a zone NAPOLI ROMA MILANO Senza sistema a zone Con sistema a zone Senza sistema a zone Con sistema a zone Senza sistema a zone Caldo 97,9% 88,5% 98,1% 88,4% 98,1% 95,9% Freddo 96,3% 98,9% 96,0% 99,7% 89,5% 99,9% Caldo 99,7% 59,3% 99,8% 58,0% 100% 16,2% Freddo 97,7% 1,8% 97,6% 1,0% 75,8% 0,5% Caldo 98,9% 17,3% 99,0% 14,5% 99,0% 5,9% Freddo 98,5% 46,4% 98,6% 41,9% 98,5% 37,7% Caldo 97,9% 41,6% 97,9% 36,8% 98,1% 29,6% Freddo 97,9% 82,1% 97,9% 81,0% 97,6% 68,9% Caldo 92,8% 63,9% 93,4% 65,5% 93,4% 17,9% STUDIO Freddo 92,0% 38,4% 92,0% 36,1% 61,1% 34,2% Tabella 4: percentuale di ore di comfort per ogni località e sistema studiato In base ai risultati ottenuti, si osserva che il sistema non zonificato è in grado di garantire una percentuale di comfort elevata solo nella zona controllata, ossia quella dove è installato il termostato, in questo caso, nel salotto. Diversamente, il sistema inverter con zonificazione integrata è in grado di garantirla in tutte le zone in modo indipendente. 12

13 5.2. RISPARMIO ENERGETICO Nella figura 8 sono mostrati i risultati ottenuti nei termini del risparmio sul consumo elettrico annuo dei sistemi zonificati con integrazione, con e senza algoritmo di efficenza energetica, rispetto a un sistema inverter non zonificato. Nel grafico di seguito mostrato la linea dello 0% indica le prestazioni di una macchina canalizzata inverter senza sistema di zonificazione. Figura 8: confronto del risparmio energetico annuo ottenuto 13

14 6. CONCLUSIONI Dallo studio effettuato si possono trarre le seguenti conclusioni: 1) Il dimensionamento di una installazione con macchina inverter e sistema di zonificazione integrata implica una riduzione della taglia del climatizzatore rispetto a una installazione dello stesso tipo ma senza sistema di zonificazione. Questa riduzione di potenza è consigliabile per evitare che il compressore della macchina risulti sovradimensionato e pertanto aumenti il numero di ore in cui lo stesso funziona come un sistema ON/OFF. Non dimeno un altro fattore da considerare nel dimensionamento è il fattore di contemporaneità dell impianto. 2) L installazione con macchina inverter e sistema di zonificazione con integrazione e senza bypass presenta un risparmio nei termini di consumo elettrico annuo compreso tra il 1,1% e il 2,6%, rispetto allo stesso sistema con bypass. 3) Il sistema inverter con zonificazione integrata e senza bypass presenta un risparmio in termini del consumo elettrico annuo compreso tra il 19% e il 30%, rispetto a una normale installazione con solo macchina inverter. Questa riduzione del consumo è dovuta principalmente alla riduzione della taglia del climatizzatore e al sostanziale aumento del numero di ore in cui il compressore funziona in regime inverter. 4) Oltre alla riduzione del consumo elettrico, il sistema con macchina inverter e sistema di zonificazione consente un importante aumento del comfort termico degli occupanti. Mentre il sistema inverter zonificato con integrazione è in grado di mantenere un livello di comfort al di sopra del 90% in tutte le zone, la macchina inverter non zonificata è in grado di mantenere questi livelli solo nella zona dove è installato il termostato. 5) Il sistema inverter zonificato integrato con algoritmo Ecoadapt consente di ottenere un risparmio nei termini del consumo elettrico annuo compreso tra il 39% e il 49% rispetto ad una normale installazione con macchina inverter. L installazione con macchina inverter e sistema di zonificazione con interfaccia di comunicazione consente di ottenere un risparmio energetico annuo compreso tra il 19% e il 30% rispetto ad una normale installazione con macchina inverter. 14

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