CENTRALI FRIGORIFERE NUOVE TECNOLOGIE E RISPARMIO ENERGETICO Mauro Melis RCGroup S.p.A. (relatore Massimo Vizzotto) Cagliari, 8 maggio 2014
Alcune considerazioni generali Il primo passo per la realizzazione di un sistema a elevato risparmio energetico è un approfondita analisi dell applicazione. La logica di scelta delle macchine per una centrale frigorifera che operi su base stagionale, da 8 a 10 ore/giorno, 5 giorni/settimana, da 4 a 5 mesi/anno, per il condizionamento di palazzo uffici alle nostre latidudini, è diversa da quella per una centrale frigorifera che operi in servizio pesante e continuo 24 h/giorno; 365 giorni/anno, per il condizionamento di precisione, o il raffreddamento di processi industriali. 2
Alcune considerazioni generali Il risparmio energetico non può prescindere dal tempo di ritorno dell investimento. I seguenti costi devono essere considerati nel calcolo del tempo di ritorno dell investimento: costi di acquisto costi di installazione costi operativi (costi energetici) costi di conduzione e manutenzione costi di smaltimento 3
Alcune considerazioni generali La scelta finale delle macchine rappresenta la sintesi delle valutazioni economiche ed energetiche La macchina che ha le caratteristiche energetiche migliori non ha sempre il tempo di ritorno dell investimento più breve 4
Non solo EER EER = ENERGY EFFICIENCY RATIO = CAPACITA FRIGORIFERA / ENERGIA SPESA ENERGIA SPESA = * potenza impegnata compressori (chillers condensati a acqua) * potenza impegnata compressori + ventilatori (chillers condensati ad aria) EUROVENT ha definito i parametri di riferimento per l appartenenza alle varie classi energetiche: 12 C/7 C 30 C/35 C per chillers condensati ad acqua 12 C/7 C 35 C per quelli condensati ad aria e ha introdotto, da marzo 2012, l EER netto che tiene conto della potenza impegnata da una pompa virtuale che vince le perdite di carico del chiller 5
Non solo EER L indice energetico stagionale ESEER / SEER (European Seasonal Energy Efficiency Ratio) deve essere tenuto in considerazione nella scelta della macchina. ESEER = (EER@100% x 0,03)+(EER@75% x 0,33)+(EER@50%x0,41)+(EER@25% x 0,23) Una macchina lavora a pieno carico per il 3% del tempo; al 50% per la maggior parte della vita utile 6
Non solo EER L ESEER / SEER varia in maniera importante a seconda del tipo di macchina. Componentistica e soluzioni tecniche ne influenzano il valore. chiller Classe A ad aria 1 circuito, 2 scroll in parallelo: ESEER = 4,19 chiller Classe A ad aria 2 circuito, 2 scroll, 1 per circuito: ESEER = 3,63 chiller Classe A ad aria 2 circuiti, 4 scroll, 2 in parallelo per circuito: ESEER = 4,24 chiller Classe A ad aria 2 circuiti, 2 vite: ESEER = 3,51 chiller Classe A ad aria 2 circuiti, 4 centrifughi levitazione magnetica, 2 in parallelo per circuito: ESEER = 5,76 7
Non solo EER La scelta della macchina che garantisca la migliore soluzione dal punto di vista tecnico-economico non può essere fatta basandosi solamente sui dati di catalogo e/o software di selezione. Occorre utilizzare anche software per il calcolo energetico che si basino su profili di applicazioni e tengano conto del valore di ESEER / SEER della macchina selezionata 8
Alcune domande Un utilizzo solo estivo, 8 10 h/giorno 5 giorni/settimana 3, max. 4 mesi/anno, vale l investimento per: macchine in Classe A o A+? macchine in Classe A ed elevatisso ESEER? impianti con macchine in stand-by in parallelo? 9
Un esempio di calcolo energetico Applicazione : Uffici Località : Cagliari Carico termico da smaltire : 500 kw Richiesta : 2 x chillers ad aria da 300 kw ( 12 C/7 C 35 C) Soluzioni possibili: Nr. 2 x chillers multiscroll Classe B Nr. 2 x chillers multiscroll Classe A Nr. 2 x chillers centrifughi oil-free Classe A e elevatissimo ESEER 10
Nr. 2 x chillers multiscroll Classe B EER = 2.74; ESEER = 3.67 : 101,7 MWh/anno (acquisto: 63.000 per 2 chillers) Le soluzioni Nr. 2 x chillers multiscroll Classe A EER = 3.17; ESEER = 4.17 : 94,4 MWh/anno (acquisto: 80.000 per 2 chillers) Nr. 2 x chillers centrifughi oil-free Classe A EER = 3.49; ESEER = 5.10 : 85,6 MWh/anno (acquisto: 130.000 per 2 chillers) 11
I risultati Nr. 2 x chillers multiscroll Classe B 101,7 MWh/anno x 0,18 /kwh = 18.306 /anno dopo 5 anni : (63.000 + 18.306 x 5) = 154.530 Nr. 2 x chillers multiscroll Classe A 94,4 MWh/anno x 0,18 = 16.992 /anno dopo 5 anni : (80.000 + 16.992 x 5) = 164.960 Nr. 2 x chillers centrifughi oil-free Classe A 85,6 MWh/anno x 0,18 = 15.408 /anno Dopo 5 anni : (130.000 + 15.408 x 5) = 207.040 12
I componenti per l efficienza energetica 13
Compressori a levitazione magnetica Caratteristiche Compressori centrifughi a due stadi a velocità variabile Cuscinetti a levitazione magnetica oil free Capacità di seguire puntualmente le richieste dell impianto L avviamento morbido ottenuto con i dispositivi a inverter riduce la corrente di spunto limitandola a soli 2 Ampere per ciascun compressore Vantaggi Eliminazione completa di tutte le procedure di manutenzione dei sistemi di lubrificazione Nessuna necessità di rifasamento Elevatissimo ESEER LRA = 2A Maggiore silenziosità Minor peso Assenza di vibrazioni Loghi, Marchi e Nomi Aziendali sono di proprietà dei rispettivi titolari 14
Compressore centrifugo a levitazione magnetica vs. vite EFFICIENZE A CARICHI PARZIALI (condensazione ad aria) Turbocor Screw 20% 40% 60% 80% 100% 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 17
Ventilatori con motori EC Caratteristiche dei motori EC Motore brushless sincrono Sistema integrato di commutazione elettronica Alta efficienza (83 86%) Controllo stepless della velocità di rotazione con un segnale proporzionale 0 10 VDC Caratteristiche dei ventilatori Plug Fans Ventilatori centrifughi con prevalenze elevate, per l installazione interna Caratteristiche dei ventilatori assiali Ventilatori per le installazioni esterne Vantaggi Elevate efficienze energetiche soprattutto ai carichi parziali Possibilità di seguire l andamento del carico Vita media più lunga (nessun contatto meccanico) Riduzione dell interferenza elettromagnetica Minime emissioni sonore PLUG FAN Indoor installation unit AXIAL FAN Outdoor installation unit 16
Ventilatore con motore AC vs. motore EC EFFICIENZE A CARICHI PARZIALI 17
Batterie condensanti a minicanali Caratteristiche Alta efficienza energetica Ridotta carica di refrigerante Performance termiche migliorate Veloce risposta ai cambi di temperatura Perdite di carico ridotte Rumore ridotto Ottimo funzionamento ad alte pressioni Costruzione al 100% in alluminio Vantaggi Risparmio sulla bolletta elettrica Fino al 75% di refrigerante in meno rispetto all utilizzo di batterie refrigeranti tradizionali Riduzione dell ingombro delle unità esterne Riduzione dell impatto ambientale Funzionamento stabile e affidabile Perfette per un ampia gamma di refrigeranti e di applicazioni Resistenza alla corrosione migliorata Fino al 50% più leggere delle batterie tradizionali Facilmente riciclabile Facilmente pulibile MICROCHANNEL COIL 18
Compressori scroll BLDC inverter Caratteristiche Modulazione della capacità. Non necessita di alcuna correzione del fattore di potenza Minima corrente di avviamento Capacità di seguire puntualmente le richieste dell impianto Motore elettrico brushless DC Vantaggi Elevata efficienza energetica rispetto ai compressori ON/OFF e a quelli inverter AC Componente essenziale per il raggiungimento delle classi energetiche A e A+ Totale assenza di rumori elettromagnetici Più silenzioso di un compressore tradizionale COMPRESSORE SCROLL Compressore con inverter 19
Valvole di espansione elettronica Caratteristiche Elevata modulazione della capacità. Controllo preciso Ampio raggio di operazione Capacità di seguire puntualmente le richieste dell impianto ed i cambiamenti delle condizioni ambientali Miglior utilizzo dei compressori Bidirezionalità Vantaggi Maggiore efficienza energetica Migliore stabilità del sistema, abbinate all uso di compressori con inverter Sostituisce due valvole di espansione tradizionali nelle pompe di calore reversibili. VALVOLA DI ESPANSIONE ELETTRONICA 20
SBRINAMENTO INTELLIGENTE Caratteristiche Sistema in grado di riconoscere l effettiva presenza di ghiaccio sulla batteria evaporante in modo da attivare il ciclo di sbrinamento solo quando necessario. Ciò comporta un importante risparmio energetico. Inoltre il sistema è completamente automatico e si basa solo sulla lettura dinamica dei parametri di funzionamento, dati assolutamente oggettivi, con l assoluta impossibilità di errore, tanto da non richiedere l inserimento di alcun parametro limite di controllo ed è in grado di adattarsi a qualunque condizione climatica. Vantaggi ottimizzazione del funzionamento della pompa di calore che effettua i cicli di sbrinamento quando questi diventano realmente necessari ottimizzazione del funzionamento dell impianto risparmio annuo di esercizio stimabile tra il 15% ed il 20%. nessuna possibilità di errori di programmazione minor usura dei compressori e quindi maggiore vita della pompa di calore 21
COME MIGLIORARE L EFFICIENZA 22
CENTRALI FRIGORIFERE NEI GREEN DATA CENTRES COSA RENDE OGGI POSSIBILE OTTENERE IL MASSIMO RISPARMIO ENERGETICO 16
CONDIZIONI OPERATIVE (caratteristiche attuali racks) SOLUZIONI TECNICHE (maturità/disponibilità di tecnologia) GESTIONE DELLO STAND-BY (disponibilità/diffusione di componenti abbinati a motori EC) SISTEMI DI REGOLAZIONE (interazione tra unità ambiente a chillers) FILOSOFIA DI IMPIANTO (caratteristiche componenti delle macchine) 16
CONDIZIONI OPERATIVE & SOLUZIONI TECNICHE Temperatura ingresso / uscita H2O refrigerata: da 14 C/8 C (fornitura 2007 chillers con sezione di FC) a 23 C/17 C (fornitura 2013 chillers in Classe A abbinati a dry coolers adiabatici) 16
fornitura 2007 chillers con sezione di FC 16
fornitura 2007 chillers con sezione di FC 17
Fornitura 2013 chillers convenzionali in Classe A in serie o bypass a dry coolers adiabatici per massimizzare l effetto di free cooling e ridurre la potenza di pompaggio 21
Fornitura 2013 chillers convenzionali in Classe A in fase di installazione 22
I risultati : incremento delle ore di funzionamento in freecooling CITTA TEMP in/out H2O [ C] 14 / 8 TEMP in/out H2O [ C] 23 / 17 DELTA % LONDRA [h/y] 2700 7000 159,26 PARIGI [h/y] 3200 6300 96,88 MILANO [h/y] 3000 5900 96,67 25
I risultati: incremento di EER; compressori/macchine di taglia ridotta 14/8 23/17 DELTA % Temperatura di condensazione [ C] 50 50 Temperatura di evaporazione [ C] 3 12 Capacità compressori [kw] 514 512 Potenza impegnata [kw] 152 120 EER [kw/kw] 3,38 4,27 Modello compressore 240 160-0,39% -21,05% 26,17% 25
GESTIONE DELLO STAND-BY: LOAD SHARING DEFINIZIONE: NON PIU N MACCHINE AL 100% E ALTRE FERME IN STAND-BY, MA, TUTTE LE MACCHINE IN FUNZIONE A CARICO PARZIALE CONSEGUENZE: UN NUOVO CONCETTO DI STAND-BY, LO STAND-BY ATTIVO 12
Perché il LOAD SHARING: le nuove tecnologie del controllo modulante Caratteristiche comuni : POSSIBILITA DI SEGUIRE L ANDAMENTO DEL CARICO TERMICO, e soprattutto ELEVATE EFFICIENZE A CARICHI PARZIALI 10 9 8 7 6 5 4 3 Turbocor Screw 20% 40% 60% 80% 100% 2 1 0 17
Load sharing per refrigeratori TRADIZIONALE 100% Standby 25
Load sharing per refrigeratori LOAD SHARING 75% o inferiore Su quali macchine ha un effetto importante : Chillers a vite con sezione di free-cooling Chillers convenzionali a levitazione magnetica 25
SISTEMI DI REGOLAZIONE: SET POINT DINAMICO PER REFRIGERATORI COMPENSAZIONE AUTOMATICA DEL SET POINT CHILLER IN FUNZIONE DELLA VARIAZIONE DEL CARICO AMBIENTE Incremento tra 8% & 10% della capacità in free-cooling a parità di temperatura aria esterna per ogni grado K di incremento set point 25
FILOSOFIA DI IMPIANTO: PORTATA ACQUA VARIABILE AI REFRIGERATORI L abbinamento tra compressori a levitazione magnetica ed evaporatori allagati rende possibile la portata d acqua variabile (tra 50% & 110%) nel refrigeratore. VANTAGGI: semplificazione impiantistica e ridotti consumi di pompaggio
Se la fornitura 2007 (parte Data Hall) fosse stata realizzata oggi GENERALE REALIZZATO IPOTESI Aria entrante condizionatori [ C] / [%] 25 / 40 36 / 30 Temp in/out H 2 O [ C] 14 / 8 23 / 17 Anticongelante [%] 20 20 Carico termico Data Hall [kw] 4.000 4.000 43
Se la fornitura 2007 (parte Data Hall) fosse stata realizzata oggi CHILLERS FREE COOLING REALIZZATO IPOTESI DELTA % Capacità frigorifera nominale ordinaria [kw] 1.300 1.300 EER meccanico nominale [kw/kw] 2,40 3,20 ZET (zero energy temperature) [ C] -4 6 Chillers in funzione a carico parziale [Nr. ] 4 4 Consumo annuo (8.760 h/y) [MW/y] 4514 1832-59 % Percentuale carico da free-cooling [%] 35 78 + 122 % Costo operativo annuo (0,18 /kwh) [ ] 812.520 329.760-60 % Coefficiente di prezzo 100 82-18% 44
Se la fornitura 2007 (parte Data Hall) fosse stata realizzata oggi CONDIZIONATORI REALIZZATO IPOTESI Capacità sensibile nominale ordinaria [kw] 100 100 DELTA % Potenza ventilatori al 100% [kw] 5,70 4,50 Numero totale Nr. 48 48 Logica funzionamento 40 al 100%, 8 in stand by 48 a carico parziale Potenza ventilatori all 83% [kw] NO 2,3 Consumo annuo (8760 h/y) [MW/y] 1.997 967-51 % Costo operativo annuo (0,18 / kwh) [ ] 359,460 174,060-52 % Coefficiente di prezzo 100 90-10% 45
Se la fornitura 2007 (parte Data Hall) fosse stata realizzata oggi Risparmio totale annuo costi operativi DATA HALL 668.160 ( -57% ) 46
GRAZIE PER L ATTENZIONE Le opinioni espresse dagli Autori non rispecchiano necessariamente quelle dell Associazione