Impianti idronici con portata d acqua variabile al circuito primario: valutazioni energetiche

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1 Impianti idronici con portata d acqua variabile al circuito primario: valutazioni energetiche NELLE VALUTAZIONI DELLE EFFICIENZE DEGLI IMPIAN- TI IDRONICI si fa riferimento ai valori di EER (Energy Efficiency Ratio) del solo gruppo frigorifero e, da qualche anno in Europa, anche agli indici ESEER (European Energy Efficiency Ratio) che tengono conto del funzionamento dei refrigeratori d acqua durante tutto l anno e quindi del funzionamento a carico parziale. Purtroppo questi valori e indici non tengono in considerazione le potenze assorbite dalle pompe dell acqua che sono indispensabili e incidono sensibilmente nei consumi di energia negli impianti di condizionamento. Grazie all utilizzo di inverter sulle pompe dell acqua è possibile dare un contributo significativo alla riduzione dei consumi negli impianti di condizionamento dell aria di tipo idronico. Ispirandoci a diverse applicazioni presenti in America da alcuni anni, nonché ad una presentazione Aicarr dell ottobre 2006 [1], abbiamo ritenuto opportuno mettere a punto dei sistemi di regolazione integrati con i refrigeratori d acqua per consentire l utilizzo dei nostri chiller in impianti a portata variabile. Mediante l utilizzo degli indici ESEER si è dimostrato il risparmio ottenibile nei consumi di energia elettrica sensibili, dell ordine del 10-15% rispetto ad impianti simili ma a portata costante attraverso il refrigeratore di Francesco Fradiga1, Michele Pontarollo2 e Giancarlo Sormani3 Analisi energetica di tre tipologie di impianto idronico mediante l utilizzo di indici di valutazione energetica derivati dagli indici Eseer I tre diversi impianti che analizziamo sono: 2.1. Impianto con portata al primario e portata al secondario 2.2. Impianto con portata al primario e portata variabile al secondario 2.2. Impianto con portata variabile al primario con secondario in serie, VPF (Variable Primary Flow) 54 #17

2 Impianto con portata al primario e portata al secondario In Figura 1 è riportato uno schema semplificato di un impianto composto da: nominali sentata per semplificazione con due utenze identiche (centrali di trattamento aria, ma potrebbero anche essere n fan coil od n condizionatori d aria con valvole a tre vie) e ciascuna rete con una pompa a portata (più una seconda di riserva) In Tabella I riportiamo i dati di efficienza EER a carico totale e parziale nelle condizioni di riferimento per il calcolo dell indice ESEER e il valore di ESSER del refrigeratore preso in esame. Il refrigeratore sarà sempre lo stesso in tutti e tre gli impianti che stiamo analizzando, così come le potenze in gioco. Per EER s intende il risultato numerico del rapporto tra potenza frigorifera e potenza assorbita dal refrigeratore (compressori e ventilatori). L indice ESEER [2] è dato dal risultato matematico della media pesata dei valori di EER nelle condizioni dai carico 100%, 75%. 50%, 25%, con dei pesi attribuiti in ambito europeo che tengono conto del funzionamento percentuale in quattro diversi carichi nell arco dell anno. ESEER = EER (100%,35 C) 0,03 + EER (75%,30 C) 0, EER (50%,25 C) 0,41 + EER (25%,20 C) 0,23 ESPERIENZA DELLE AZIENDE UNITÀ Primario a portata Secondario portata Figura 1 Impianto con portata al primario e portata al secondario Tabella I Efficienza energetica del chiller FOCS-CA/B 3602 in condizioni operative ESEER Potenza frigo [kw] Portata [m3/h] Potenza assorbita [kw] ,3 EER - 3,13 3,84 4,24 4,58 ESEER REFRIGERATORE - 4,15 Tabella II Impianto a portata al primario e portata al secondario Portata costante [m3/h] Tipo pompa FHE80-160/110 Prevalenza pompa [kpa] 210 Prevalenza utile chiller [kpa] 117 Potenza pompa [kw] 12,1 12,1 12,1 12,1 Portata costante pompa 1 e 2 [m3/h] 73,0 73,0 73,0 73,0 Tipo pompe FHE65-125/40 Prevalenza pompe [kpa] 141 Potenza pompa 1 e 2 [kw] 4,47 4,47 4,47 4,47 Potenza tot. pompe secondario [kw] 8,94 8,94 8,94 8,94 EER+P - 2,90 3,41 3,50 3,15 ESEER+P - 3,37 Acqua in uscita dal chiller 7 C. Portata acqua sempre uguale a quella del 100% di carico. In Tabella II riportiamo i dati più significativi ai fini energetici relativi alla pompa sul primario ed alle due pompe sul secondario. Denominiamo con una nuova terminologia EER+P l efficienza totale del circuito idronico comprensiva delle potenze elettriche assorbite dalle pompe, sia al 100% che in condizioni di carico parziale. Potenza frigorifera EER + P = Potenza assorbita dal refrigeratore + Potenza assorbita dalle pompe dei circuiti Attribuendo gli stessi pesi e condizioni dell indice ESEER e facendo una media pesata di questi valori EER+P, definiamo un nuovo indice energetico che chiamiamo ESEER+P: ESEER + P = EER + P (100%,35 C) 0, EER + P (75%,30 C) 0, EER + P (50%,25 C) 0, EER + P (25%,20 C) 0,23 Acqua in uscita dal chiller 7 C. Portata chiller pari alle condizioni di riferimento. Impianto con portata al primario e portata variabile al secondario In Figura 2 è riportato uno schema derivato da quello precedente dove manteniamo la portata al primario ed inseriamo delle pompe a portata variabile nei due rami del circuito secondario. Le valvole sulle utenze ora sono a due vie per fare in modo che quando è richiesto meno carico la valvola chiuda, alimentando con meno acqua la batteria di scambio termico e consentendo una diminuzione di portata d acqua nel circuito secondario. Nelle valutazioni energetiche seguenti si è assunto di mantenere sempre #17 55

3 alla metà di quella nominale. In Tabella III riportiamo i dati più significativi ai fini energetici. Impianto con portata variabile al primario con secondario in serie, VPF (Variable Primary Flow) In Figura 3 è riportato uno schema derivato da quelli precedenti dove eliminiamo le pompe del secondario ed affidiamo tutta la circolazione alle pompe a portata variabile del primario ponendovi il secondario in serie; tale impianto viene comunemente chiamato in America e da ASHRAE VPF, acronimo di Variable Primary Flow. Nel ramo che nel circuito precedente faceva da disaccoppiatore è stata inserita una valvola di bypass per assicurare una portata minima del 50% attraverso il refrigeratore in ogni situazione di carico alle utenze. In Tabella IV riportiamo, analogamente alle Tabelle precedenti, i dati più significativi ai fini energetici relativi a questa soluzione impiantistica. Dalle analisi condotte emerge che l impianto VPF permette un incremento dell indice ESEER+P rispettivamente rio e secondario e al +12,3% rispetto ad impianto con portata al primario e variabile al secondario. Per quantificare economicamente questi miglioramenti percentuali ricorriamo alla stessa metodologia già adottata in precedenti relazioni [2]. Ipotizzando che la distribuzione del carico richiesto da un chiller durante un anno di funzionamento sia ripartita nelle stesse percentuali di peso del carico e per le stesse temperature dell aria ambiente considerate nella formula ESEER ed ESEER+P, si può risalire al consumo semplice formula, utilizzando il valore di ESEER+P, la potenza frigorifera nominale (Q 100%) ed il numero d ore totali di funzionamento (N). Primario a portata Secondario portata Figura 2 Impianto con portata al primario e portata variabile al secondario Tabella III Impianto a portata al primario e portata variabile al secondario Portata costante [m3/h] Tipo pompa FHE80-160/110 Prevalenza pompa [kpa] 210 Prevalenza utile chiller [kpa] 117 Potenza pompa [kw] 12,1 12,1 12,1 12,1 Portata costante pompa 1 e 2 [m3/h] 73,0 36,5 36,5 36,5 Tipo pompe FHE65-125/40 Prevalenza pompe [kpa] 141 Potenza pompa 1 e 2 [kw] 4,66 1,24 1,24 1,24 Potenza tot. pompe secondario [kw] 9,32 2,48 2,48 2,48 EER+P - 2,89 3,53 3,70 3,48 = 0,03 100% N Q 100% + 0,33 75% N Q 100% + + 0,41 50% N Q 100% + 0,23 25% N Q 100% = = N Q 100% (0, ,33 0,75 + 0,41 0,50 + 0,23 0,25) = = N Q 100% 0,54 ESEER+P - 3,57 ESEER+P rispetto 2.1-5,9% L indice ESEER+P è adimensionale e può essere visto ler più le potenze assorbite dalle pompe installate nel circu- totali. = ESEER + P = N Q100% 0,54 = ESEER +P Considerando un impianto di condizionamento in un complesso di edifici ad uso residenziale, in funzione dalle 10 alle 24, per 4 mesi, da metà maggio a metà settembre, impianti sopra analizzati, con riferimento ai soli chiller e pompe diventano rispettivamente: Impianto 2.1 con portata al primario e portata al secondario: ESEER + P = 3, Impianto 2.2 con portata al primario e variabile al secondario: ESEER + P = 3, Impianto 2.3 con portata variabile VPF: ESEER + P = 4, I risparmi nei consumi annuali ottenibili da un impianto VPF sono evidenti. 56 #17

4 Primario variabile Evaporatore Pompa primaria a portata variabile Refrigeratore Figura 3 Impianto con un unico circuito a portata variabile VPF Tabella IV Impianto VPF con portata variabile al primario e secondario in serie Primario variabile [m3/h] ,0 73,0 73,0 Tipo pompa FHE80-160/110 Prevalenza pompa [kpa] 255 Prevalenza utile chiller [kpa] 162 Potenza pompa [kw] 14,7 2,99 2,99 2,99 EER+P - 2,96 3,77 4,12 4,30 ESEER+P - 4,01 ESEER+P rispetto ,9% ESEER+P rispetto ,3% Figura 4 Impianto con un unico circuito a portata variabile VPF Bypass Carico 1 Carico 2 P impianto Cenni relativi alle regolazioni adottate In Figura 4 è riportato uno schema di principio dell impianto con un unico circuito a portata variabile VPF; la pompa del refrigeratore è utilizzata per far circolare l acqua attraverso l intero impianto. Il refrigeratore d acqua deve essere progettato per: ratore ridotta; ta variando contemporaneamente la portata d acqua attraverso l impianto. Si tratta di refrigeratori d acqua con condensazione ad acqua o ad aria, evaporatore idoneo a fascio tubiero e compressori frigoriferi a vite. La regolazione della potenza frigorifera dei compressori è a modulazione continua in funzione della temperatura di mandata all impianto. Le singole utenze dell impianto sono dotate di valvole a due vie che modulano l apertura in funzione della richiesta di carico: al diminuire della richiesta le valvole chiudono facendo passare meno acqua con conseguente aumento della perdita di carico attraverso batteria e valvola. Al diminuire del carico la velocità della pompa viene ridotta in modo da ridurne la potenza assorbita e fornire alle utenze solo l acqua che esse richiedono; mediante un trasduttore differenziale viene misurata e mantenuta costante la caduta di pressione ( p) in un punto significativo dell impianto in modo da garantire sempre il flusso d acqua adeguato nel percorso più critico o significativo dell impianto. Nel controllore elettronico installato a bordo macchina sono state inserite molte logiche di controllo. La velocità di variazione della portata d acqua, tipicamente espressa come variazione percentuale della portata nominale del refrigeratore al minuto, deve essere tale da non creare instabilità nella regolazione della temperatura di uscita dell acqua. Abbiamo adottato variazioni della portata d acqua variabili tra il 2% e 6% rispetto alla portata nominale, che portano nel caso peggiore a richiedere meno di 30 minuti per ridurre la portata dal massimo al minimo. La pompa installata a bordo macchina è controllata da un convertitore di frequenza o inverter che, variando la frequenza di alimentazione del motore della pompa, varia la velocità di rotazione e quindi la portata. Per evitare pendolazioni dovute alle interferenze fra regolatori, sono stati inseriti sofisticati algoritmi software che consentono al controllore di pesare il contributo dei singoli regolatori e garantire la stabilità in tutte le condizioni di lavoro. La messa a punto di questi algoritmi è stata fatta mediante severi test in laboratorio e verifiche su impianti ESPERIENZA DELLE AZIENDE ULTERIORI VANTAGGI DELL IMPIANTO A PORTATA VARIABILE VPF I consumi di energia elettrica sono inferiori rispetto ad altri circuiti non solo per le motivazioni analizzate fino ad ora ma anche perché negli impianti, molto spesso, si abbonda nel dimensionare le pompe dell acqua. Questo viene fatto per avere la sicurezza che nel caso di perdite di carico valutate erroneamente le pompe garantiscano comunque le portate d acqua necessarie per mantenere il tradizionale T di 5 C attraverso il chiller al 100% del carico. L utilizzo di inverter sulla pompa a bordo del chiller consente di tarare la portata nominale che permette di ottenere il T di 5 C a carico pieno ndo la frequenza massima senza ricorrere ad inefficienti strozzature che comportano elevati sprechi di energia per il pompaggio. La possibilità di re la frequenza massima, può consentire inoltre, anche ad impianto realizzato, di portare agevolmente il T attraverso il chiller al 100% di carico anche a valori superiori a 5 C, con ulteriori risparmi nei consumi. Queste soluzioni impiantistiche permettono considerevoli risparmi d installazione grazie all eliminazione della stazione di pompaggio ed al ricupero dello spazio che esse occuperebbero. Le pompe con alte portate ed alte prevalenza presentano infine efficienza tendenzialmente maggiore delle pompe più piccole impiegate nei classici impianti disaccoppiati. #17 57

5 pilota tramite continui monitoraggi delle condizioni operative. Le variazioni di portata calcolate dal controllore della macchina sono inviate al convertitore di frequenza con tempistiche che variano dinamicamente in funzione della richiesta di carico dell impianto e tengono conto del volume d acqua dell impianto e della potenzialità del refrigeratore d acqua. Per assicurare che in tutte le condizioni di lavoro dell impianto la portata d acqua del refrigeratore d acqua non scenda sotto la soglia minima, il controllore elettronico è dotato di opportune sonde che consentono di stabilire quando la portata è troppo bassa e di inviare un segnale all impianto per il comando della valvola del ramo di by-pass. Non abbiamo voluto appesantire questa relazione con altri esempi d impianti con più refrigeratori d acqua installati; anche per queste installazioni abbiamo sviluppato dei software per il controllo a portata variabile VPF che gestiscono gli inserimenti e le disinserzioni dei refrigeratori in modo da garantire comunque, con particolari accorgimenti, un buon controllo della temperatura dell acqua inviata all impianto. Nel passaggio di ritorno, quando parte del liquido è diventato gas, dando un maggior numero di tubi alla sezione di ritorno, si consente una velocità del gas comunque alta contenendo le perdite di carico. Rappresentiamo nella Figura 6 l andamento delle temperature in gioco nel caso di funzionamento al 100% del carico frigorifero con acqua entrante nell evaporatore a 12 C ed uscente a 7 C. Da notare in questa e nelle successive Figure la parte dedicata al surriscaldamento del gas, necessario per assicurare che all aspirazione del compressore non ritorni liquido perché, essendo incomprimibile, provocherebbe pericolose sollecitazioni ai compressori. Questa parte dei tubi scambiatori comporta poco scambio termico rispetto a quello di natura latente dovuto OUT GAS IN liquido IN ACQUA al cambiamento di stato da liquido a gas nella parte prevalente dell evaporatore. Nella Figura 7 riportiamo l andamento delle temperature nello stesso evaporatore con portata Evaporatore SIMMETRICO Evaporatore ASIMMETRICO Figura 5 Differenza tra evaporatore avente distribuzione dei tubi di tipo simmetrica e asimmetrica OUT ACQUA Comportamento degli evaporatori con portate d acqua ridotte Non tutti gli evaporatori si prestano a venire impiegati in impianti a portata d acqua variabile che li attraversano perché, al diminuire delle portate d acqua, non deve diminuire l efficienza globale di scambio termico, altrimenti si avrebbe il risultato di vedere diminuire la temperatura di evaporazione con conseguente abbassamento non solo della potenza frigorifera ma anche dell efficienza del refrigeratore. Gli evaporatori installati nei nostri chiller sono progettati e costruiti con criteri tali da mantenere pressoché inalterata la temperatura di evaporazione a parità di temperatura dell acqua in uscita dall evaporatore ed a diversi regimi di portata d acqua fino ed anche inferiore al 50% della portata d acqua nominale. Per spiegare il comportamento ci aiutiamo con degli andamenti schematici qualitativi dei profili di temperature dell acqua tra ingresso ed uscita del mantello e del refrigerante (R134a), all interno dei nostri evaporatori. L evaporatore è generosamente dimensionato e adotta una distribuzione di tubi scambiatori asimmetrica, cioè con un numero inferiore nella parte bassa del primo passaggio rispetto a un numero superiore nella parte alta di ritorno refrigerante verso la stessa estremità d ingresso (Figura 5). In questo modo si sfrutta l alta densità del refrigerante nel primo passaggio che da prevalentemente liquido va via via evaporando trasformandosi in gas, consentendo alte velocità di passaggio con elevato coefficiente di scambio e basse perdite di carico. 58 # C C C 12 C Area impiegata per surriscaldare Carico frigorifero 100% LUNGHEZZA EVAPORATORE PORTATA ACQUA FISSA 12 7 C EVAPORAZIONE Surriscaldamento 5 C Carico frigorifero 50% Area impiegata per surriscaldare LUNGHEZZA EVAPORATORE PORTATA ACQUA FISSA C EVAPORAZIONE 4 C SURRISCALDAMENTO Figura 6 Andamento temperature acqua e R134a per impianto a pieno carico e portata acqua 100% Figura 7 Andamento temperature acqua e R134a per impianto a metà carico e portata costante pari a quella al 100% di carico 7 C Surriscaldamento 5 C SURRISCALDAMENTO 7 C

6 12 C Carico frigorifero 50% d acqua identica a quella nominale, in condizioni 12 di lavoro pari al 50% della resa nominale e quindi 11 con salto termico dimezzato a soli 2,5 C, con ac ratura di evaporazione si mantiene pari a quella 7 C 8 7 del 100% di carico, con una zona dedicata al surriscaldamento del gas notevolmente estesa in C Surriscaldamento 5 C 6 5 quanto, per assicurare lo stesso surriscaldamento di 5 C, essendo la temperatura dell acqua en- 4 3 Area impiegata 2 ML nella fase dedicata al surriscaldamento si abbassa e, per avere sempre un per surriscaldare 1 0 pari surriscaldamento del gas, è necessaria una LUNGHEZZA EVAPORATORE maggior superficie di scambio dedicata alla fase PORTATA ACQUA 50% 12 7 C di surriscaldamento, che toglie superficie a quella parte di evaporatore più efficace nel trasmettere EVAPORAZIONE SURRISCALDAMENTO calore al liquido evaporante (calore latente). Q SURR = K S T MLsurr Figura 8 Andamento temperature acqua e R134a per In modo intuitivo è evidente che con acqua impianto al 50% del carico e portata variabile = 50% un gas che si surriscalda. to Figura 9 Andamento della portata al variare della potenza frigorifera delle temperature nello stesso evaporatore FUNZIONAMENTO BATTERIA ma con portata d acqua ridotta al 50% rispetto 100% a quella nominale, in condizioni di lavoro pari al 50% della resa nominale, con salto termico invariato a 5 C e quindi con acqua entrante sempre 75% a 12 C. Facciamo notare la riduzione di superficie 50% dedicata allo scambio termico per il surriscaldamento del gas grazie al maggior T ML del caso precedente. La superficie dedicata quindi alla 25% pura evaporazione del refrigerante è superiore rispetto a quella di Figura 7, compensando 0% la diminuzione del coefficiente di scambio lato 0% 25% 50% 75% 100% acqua dovuta alla diminuita portata d acqua e Potenza Frigorifera quindi velocità dell acqua. Il calore Q SURR deve essere, a parità di portata refrigerante e gradi di LINEARE FAN COIL surriscaldamento, sempre lo stesso del caso precedente; il coefficiente di scambio totale K diminuisce in seguito alla diminuzione del coefficiente di scambio lato acqua per diminuita velocità dell acqua. Figura 10 Andamento della potenza e della prevalenza a diverse frequenze Il T MLsurr. si mantiene a livelli simili a quelli di Figura 6, grazie all alta temperatura di ingresso Curve POMPA acqua pari a 12 C. Portata Prevalenza H 160% 140% 120% 100% 80% 60% 40% 20% 30 Hz 0% 0% 0% 20% 40% 60% 80% 100% Portata acqua 50 Hz 160% 140% 120% 100% 80% 60% 40% 20% H 50Hz H 30Hz Pa 50Hz Pa 30Hz Potenza assorbita Pa Comportamento degli utilizzatori dell acqua refrigerata negli impianti di condizionamento al variare della potenza frigorifera Nelle batterie di scambio termico impiegate nelle utenze, fancoil, condizionatori d aria, centrali di trattamento aria ecc. verrebbe da pensare che passando dal carico termico del 100% a condizioni di lavoro a carico parziale, la diminuzione di portata d acqua da quella nominale al 100% a quella corrispondente ad una certa percentuale di carico parziale diminuisca della stessa percentuale. Questo non avviene per motivi termodinamici (essenzialmente dovuto al variare del ESPERIENZA DELLE AZIENDE #17 59

7 coefficiente di scambio termico interno alla batteria alettata in funzione della velocità dell acqua con esponente inferiore a uno e non lineare). Chiunque, utilizzando programmi di calcolo di scambio termico per batterie alettate o di fan coil o di centrali di trattamento aria tracciasse l andamento della portata d acqua al variare del calore scambiato a parità di temperature d ingresso di acqua e di aria, otterrebbe andamenti simili a programmi di calcolo sia di macchine di condizionamento, sia di solo calcolo di batterie alettate di fornitori qualificati ed il risultato medio che denziamo che già ad un carico termico del 75% la portata d acqua diminuisce più del 50%. Variazione della potenza assorbita da una pompa al diminuire della portata d acqua Dalle leggi derivanti dalla similitudine meccanica per una pompa, estraiamo le seguenti relazioni in funzione della velocità di rotazione della pompa n: Portata = f (n) Prevalenza = f (n2) Potenza = f (n3) Importante notare la variazione della potenza assorbita da una pompa con la variazione al cubo del numero di giri della pompa. In Figura 10 riportiamo delle curve portata-prevalenza e portata-potenza assorbita per la pompa utilizzata nell esempio precedente di impianto VPF. Analizzando le curve a 50 ed a 30 Hz si nota che al 50% di portata acqua, con pompa a 30 Hz, si ha una potenza assorbita pari a circa il 20% di quella a portata 100%. CONCLUSIONI L utilizzo di impianti a portata variabile nel circuito primario VPF può dare, in molte applicazioni, un valido contributo al contenimento dei consumi energetici con evidenti benefici all utente finale. Purtroppo ci vorrà del tempo per sensibilizzare il nostro settore sull importanza della riduzione delle potenze assorbite dalle pompe. Riteniamo che la certificazione energetica degli edifici contribuirà a questa sensibilizzazione. Con gli esempi presentati abbiamo voluto semplificare le analisi energetiche riducendole a poche operazioni matematiche, senza ricorrere a sofisticati programmi software di calcolo, con l ipotesi che il carico dei refrigeratori vari nell arco dell anno nelle stesse modalità assunte per la definizione dell indice ESEER. Riferendosi ad altre distribuzioni di carico, altre temperature aria esterna, con distribuzione per frequenza oraria di temperature esterne, è possibile condurre delle analisi più personalizzate ma l ordine di grandezza dei risultati comparativi tra i diversi impianti non si scostano da quelli riportati in questa relazione. 1 Francesco Fadiga, Responsabile Grappa (Vi) 2 Michele Pontarollo, Direzione Grappa (Vi) 3 Giancarlo Sormani, Direzione BIBLIOGRAFIA [1] Boeche A., Cavallini A., Zecchin R., I contenuti progettuali in relazione alla vita del sistema edificio impianto convegno Aicarr Bologna 26 ottobre [2] Sormani G., Prove e prestazioni a carichi parziali dei chiller: certificazione Eurovent ed analisi energetiche 45 Aicarr International Conference 2006, Milano 1-2 marzo 2006.