TECNOLOGIA Luca Ferrari LE APPLICAZIONI DI RAFFREDDAMENTO CHE NECESSITANO DI REQUISITI FUORI STANDARD SONO NUMEROSE QUANTO DIVERSIFICATE. A QUESTE SPECIFICITÀ RISPONDE UNA PARTICOLARE CATEGORIA DI GRUPPI FRIGORIFERI, DEFINITI MISSION CRITICAL, CHE SI DIFFERENZIANO ANCHE SENSIBILMENTE DA QUELLI ORDINARI UTILIZZATI PER SOLE RAGIONI DI COMFORT. 30 I GRUPPI FRIGORIFERI MISSION CRITICAL N elle applicazioni industriali, dove spesso impianti e processi richiedono un funzionamento continuo per 24 ore al giorno e 7 giorni la settimana, risulta prioritario assicurare due essenziali condizioni di esercizio al fine di evitare che le relative diseconomie ricadono inevitabilmente sul prodotto finito o sul servizio offerto: l affidabilità e il contenimento dei consumi di energia. I gruppi frigoriferi per queste appli- cazioni sono spesso definiti Mission Critical proprio per la capacità di rispondere soprattutto alla prima condizione, com è il caso dei data center, delle raffinerie, degli ospedali e di numerosi processi industriali. Si tratta di macchine che si differenziano per vari e spesso sostanziali aspetti da quelle normali di benessere, progettate per rispondere a condizioni di funzionamento spesso heavy duty. Il mercato domestico e internazionale
offre una definita gamma di apparecchi con caratteristiche differenziate per soluzioni adottate e tipo di costruzione. Ai fini del risparmio energetico tre sono comunque le scelte più comunemente seguite: recupero di calore e/o pompa di calore; free cooling e raffreddamento evaporativo. Gruppi frigoriferi condensati ad aria con free-cooling La gamma TECS-FC di Climaveneta comprende refrigeratori condensati ad aria con compressori a levitazione magnetica (privi di olio lubrificante) dotati di un sistema di gestione intelligente del free-cooling. L unità chiller, mostrata in figura 1, è infatti in grado di passare automaticamente da una modalità di free-cooling totale, ad una refrigerazione di tipo ibrido o meccanico, a seconda della temperatura esterna e dell acqua. Quando la temperatura dell aria esterna scende almeno di un grado sotto la temperatura dell acqua di ritorno, l unità utilizza l aria stessa per raffreddare in modo diretto l acqua (free-cooling ibrido), riuscendo in questo modo a beneficiare in modo incrementale degli effetti del freecooling. I vantaggi aumentano con la diminuzione della temperatura dell aria esterna, al punto che diviene possibile con la sola aria esterna soddisfare l intera richiesta frigorifera: in questo caso i compressori rimangono inattivi (free-cooling totale) e l unità raggiunge il suo valore massimo di efficienza (valori EER attorno a 220). Oltre a questa innovazione, la vera particolarità della macchina è data dalla possibilità della funzione fast restart che garantisce, in caso di black-out, il riavvio del compressore entro 26 secondi dal ripristino di tensione elettrica. Inoltre una doppia possibilità di alimentazione permette, attraverso un dispositivo ATS (Automatic Transfer Switch), di collegare il chiller a due diverse linee di alimentazione elettrica e, in caso di mancanza di tensione sulla linea principale, di commutare automaticamente verso la linea secondaria, garantendo una perfetta continuità di funzionamento dell unità. Queste caratteristiche sanciscono la definizione Mission Critical del chiller, cioè per tutte quelle applicazioni che richiedono elevati standard di affidabilità oltre che di efficienza ed in particolare per quei progetti caratterizzati da un fabbisogno frigorifero elevato e costante tutto l anno, vale a dire data-center, industrie di processo e infrastrutture per le telecomunicazioni. Grazie a queste configurazioni i TECS-FC sono in grado di soddisfare i requisiti di topologie impiantistiche ad elevati standard di affidabilità (TIER III e TIER IV). TECS-FC è disponibile sia nella versione standard (K) sia nella versione ad alta efficienza (CA) e copre una capacità frigorifera da 302 a 1649 kw. L unità può essere selezionata anche con la configurazione no-glicole. E disponibile anche una variante realizzata con refrigerante HFO 1234ze. Fig. 2 - Unità frigorifera modulare a recupero di calore e pompa di calore SHC serie UCH (ClimaCool). Fig. 1 - La gamma Mission Critical del refrigeratore condensato ad aria TECS-FC di Climaveneta è predisposta della funzione fast restart che assicura il riavvio del compressore entro 26 secondi dal ripristino di tensione elettrica. In ogni caso, con un default della linea elettrica principale, la doppia alimentazione assicura in automatico una perfetta continuità di funzionamento dell unità (Climaveneta). 31
TECNOLOGIA A B Fig. 3 - Schemi unifilari di impianti con tre moduli UCH in differenti regimi di funzionamento: A) a pompa di calore; B) a recupero di calore. (ClimaCool). Gruppi frigoriferi modulari Le unità modulari come le macchine SHC ondemand serie UCH prodotte da ClimaCool, di cui un modello è visibile nella figura 2, hanno come caratteristica più evidente quella di poter essere installati in batteria grazie proprio alla loro modularità. Una caratteristica preziosa nel caso di mutate destinazioni degli spazi, o all aumentare della domanda di raffreddamento nel corso del tempo. Altre caratteristiche sostanziali riguardano il funzionamento: utilizzano l acqua come sorgente fredda/ calda e alimentano due circuiti indipendenti per il raffreddamento e il riscaldamento. La produzione è in due serie: a pompa di calore reversibile e a recupero di calore. Quando più moduli sono collegati tra loro i regimi di funzionamento possono essere stabiliti on demand e ciò consente una grande flessibilità di funzionamento, ma soprattutto la continuità del servizio anche di fronte ad emergenze e manutenzione. E prevista una vera ridondanza tra i diversi moduli che sono separato dall alimentazione elettrica. Le valvole integrali motorizzate e isolate e i doppi circuiti indipendenti/refrigeranti per modulo forniscono vera ridondanza meccanica. Ciascun modulo costituisce un unità del tutto autonoma, con compresso- Refrigeratori Mission Critical: quali caratteristiche Nelle applicazioni Mission Critical, è necessario assicurarsi che tutte le apparecchiature siano stabilmente affidabili ed efficienti, progettando unitamente una funzionalità semplificata degli impianti e dei sistemi di controllo. Un classico esempio di impianti Mission Critical sono quelli destinati alla climatizzazione dei data center: qui l attenzione principale viene dedicata al funzionamento e alla possibile criticità dei server e all elaborazione e conservazione dei dati, possibilmente evitando nel contempo che la gestione del sistema HVAC sia fonte di ulteriori problematiche e/o di malfunzionamenti. A queste considerazioni, va aggiunta la maggiore sensibilità in termini di efficienza energetica e sostenibilità dei committenti, modo per cui la selezione del gruppo refrigerante, che si ricorda destinato ad un funzionamento h 24, oltre alle necessarie qualità di affidabilità e sicurezza, deve tenere in debito conto anche quest ultime prerogative. In molti casi, la scelta oscilla tra la relativa semplicità di un refrigeratore raffreddato ad aria o viceversa quella di un sistema più complesso, ma allo stesso tempo più efficiente del raffreddamento ad acqua. Di seguito si elencano alcune delle principali caratteristiche che dovrebbero possedere i gruppi raffreddanti destinati in applicazioni Mission Critical. Affidabilità ed efficienza Per affidabilità si intende la continuità di servizio in condizioni operative ed eccezionali. Gli impianti e le apparecchiature Mission Critical si trovano sempre nella seconda condizione. Allo stesso modo devono essere tempestivi nel riprendere il funzionamento in caso di eventi singolari come quello per esempio di una non prevista interruzione dell alimentazione elettrica alle macchine (anche se i necessarie sistemi UPS dovrebbero evitare questo inconveniente) Di norma in questi casi un chiller convenzionale impiega circa 20-30 minuti per tornare a pieno regime, mentre un refrigeratore Mission Critical, è in grado di ritornare al funzionamento entro 30 secondi dal ripristino della corrente e arrivare entro 5-6 minuti a pieno carico. In questa situazione di default risulta più pronto un refrigeratore condensato ad aria, anche se oggi molti produttori hanno ridotto i tempi di avviamento anche per le macchine condensate ad acqua. Se i chiller raffreddati ad acqua offrono un efficienza superiore rispetto a quelli ad aria, comportano pero una complicazione in termini di impianto dovuto alla presenza dei circuiti lato acqua, ivi incluse le torri di raffreddamento. Inoltre in sede di costi di gestione bisogna tenere conto anche della maggior spesa per trattamento delle acque, soprattutto quando il consumo può essere misurato in milioni di litri all anno. 32
ri, scambiatori di calore, quadro elettrico e di regolazione, interamente assemblati entro un telaio metallico. Gli attacchi idraulici possono essere sdoppiati sulle due testate per consentire collegamenti in batteria. Sono presenti 6 attacchi: 2 per il fluido del pozzo freddo/caldo; 2 per l acqua calda e 2 per l acqua refrigerata, su una o su entrambe le estremità della macchina. Sia le unità a pompa di calore che a recupero di calore possono utilizzare i refrigeranti R-410A (con produzione di acqua calda a temperatura max. di 57 C) o R-134a (con temperatura max. di 74 C). I moduli a pompa di calore collegati in batteria consentono un funzionamento particolare, come da schema unifilare nella figura 3A: uno o più moduli possono funzionare in riscaldamento e i rimanenti in raffreddamento. L acqua calda e fredda viene distribuita nei rispettivi circuiti mediante l azione di due valvole. Nello schema il modulo 1 funziona in raffreddamento, il 2 è in stand by e il 3 in riscaldamento. Ciascun modulo può essere indirizzato indipendentemente dalla sua posizione dell impianto. I moduli a recupero di calore consentono un funzionamento più flessibile, oltre che energeticamente molto efficiente, quando collegati in impianti closed loop. Anch essi possono essere indirizzati indipendentemente dalla loro posizione e consentono il funzionamento in riscaldamento o raffreddamento, oppure in riscaldamento e raffreddamento simultanei. La figura 3B presenta uno schema unifilare di principio. Entrambe le tipologie di macchine son previste per funzionare in impianti a 4 tubi, soprattutto in edifici del terziario. Le potenze frigorifere nominali vanno da 100 a 300 kw, anche se, secondo il costruttore, le macchine possono essere configurate in impianti con potenza fino a 3500 kw. Gruppi frigoriferi condensati ad acqua HiRef propone la gamma XTW di refrigeratori condensati ad acqua Fig. 4 - I refrigeratori condensati ad acqua della serie XTW di HiRef possono essere collegati in parallelo in modo da ottenere una modularità della potenza erogata e poter anche gestire la ridondanza richiesta da progetto per far fronte alle situazioni critiche di malfunzionamento di un refrigeratore (HiRef). Ridondanza Nelle applicazioni critical/heavy duty la necessità di un sistema di ridondanza è essenziale per garantire la continuità di funzionamento degli impianti di raffreddamento contro possibili guasti e la perdita di potenzialità del sistema. La ridondanza consiste nel predisporre una o più macchine oltre il necessario in grado di entrare in servizio immediatamente all insorgere di un guasto, di un fuori servizio o di arresto per manutenzione di una delle macchine correntemente in servizio. Se N rappresenta il numero di macchine sufficienti per soddisfare la domanda di raffreddamento di progetto, allora lo standard di affidabilità può essere considerato in termini di numero di macchine ridondanti rispetto a N. Di norma deve essere prevista una ridondanza 2N, cioè la possibilità poter di sostituire integralmente la potenza di raffreddamento necessaria alla struttura. Scalabilità Questa caratteristica è diventato ormai quasi indispensabile per le macchine Mission Critical. Molto spesso infatti le strutture o i processi di fabbricazione richiedono nel tempo ulteriori quote di potenza frigorifera, ed quindi essenziale disporre di unità modulari e di facile installazione. In questi casi il vantaggio di poter installare le macchine all aperto favorisce la scelta di gruppi frigoriferi raffreddati ad aria, che di norma offrono dunque una migliore scalabilità e flessibilità in termini di domanda. Allo stesso tempo si pongono pero i problemi derivanti dalle basse temperature esterne ed in particolare dal gelo, anche se non necessariamente diventa obbligatorio l uso di fluidi inibitori come il glicole. In questi casi è consigliato anche che il condensatore sia dotato di una gestione del ciclo di ventilazione e per condizione ancora più severe di una funzione che permetta il parziale allagamento del condensatore. Per situazione ulteriormente critiche è possibile l installazione in remoto dell evaporatore, cioè all interno della struttura. Manutenzione Anche in questo caso i chiller destinati ad applicazioni e processi Mission Critical devono poter essere monitorati e manutenuti in modo agevole e ordinario. La possibilità di collegare il refrigeratore a Internet e inviare avvisi e-mail e altri dati predittivi che possono influenzare l affidabilità del sistema è decisamente auspicata se non obbligatoria. La facile accessibilità alla macchina è una altra caratteristica distinguente della categoria. 33
TECNOLOGIA Fig. 5 - Gruppo frigorifero evaporativo di grande potenza equipaggiato con 4 compressori a vite, 2 entro ciascuna copertura, e 2 condensatori evaporativi. La posizione di compressori e condensatori evaporativi è alternata tra le due parti della macchina per equilibrare i pesi (Technical Systems/RAE Co.). (figura 4) che si distinguono per modularità e ridondanza: difatti più unità della gamma XTW possono essere collegate in parallelo idraulico e gestite da una centralina di controllo per pilotare i compressori a inverter in modo da ottenere la massima efficienza (termodinamica e di compressione) in ogni punto di lavoro, per gestire la ridondanza richiesta da progetto (configurazione N+1, N+2,... N+N), per operare in modalità standby rotation oppure ancora per far fronte alle situazioni di malfunzionamento di un refrigeratore e quindi per la gestione delle situazioni critiche. Dotata di evaporatore di tipo allagato, cioè con surriscaldamento (necessario perché il compressore operi in maniera sicura e non aspiri gocce di liquido) localizzato al di fuori del volume di scambio termico a tutto beneficio dell efficienza termodinamica. Grazie alla modulazione del compressore, degli scambiatori compatti ed allagati (evaporatore), delle soluzioni circuitali adottate (economizzatore) le prestazioni ai carichi parziali sono notevoli. Il coefficiente ESEER è pari a 8,0. La gamma XTW utilizza anch essa il nuovo refrigerante R1234ze che possiede un valore relativamente basso di GWP (Global Warming Potential pari a 6), nonché è presente in quantità ridotta grazie agli scambiatori compatti e nonostante l allagamento, e unitamente agli alti valori di efficienza energetica (EER, ESE- ER), conferisce al sistema dei valori contenuti di TEWI (Total Equivalent Warming Impact). La macchina si presenta dimensioni contenute in pianta grazie ai particolari scambiatori, nonché alla disposizione delle tubazioni del circuito, caratteristica che ne avvantaggia le operazioni di retrofit. Gruppi frigoriferi con condensatori evaporativi Si tratta di veri e propri sistemi di diversa configurazione secondo le caratteristiche dell applicazione, assemblati su uno stesso basamento, collaudati in fabbrica e trasportati sull impianto in un unica soluzione. Rappresentative di questa tipologia sono le macchine della serie 35E2, realizzate da Technical Systems, una divisione di RAE Corporation, che costituiscono veri e propri impianti, come dimostra il modello nella figura 5. Il sistema di raffreddamento evaporativo dei condensatori raggiunge elevate efficienze energetiche e permette importanti riduzioni dei consumi di energia rispetto ai condensatori ad aria. Le macchine sono configurate in due o quattro moduli assemblati tra loro. Copertura accessibile contenente uno o due compressori a vite, dotata di ventilazione meccanica con aria esterna. Essa racchiude i componenti frigoriferi principali, l evaporatore e il quadro elettrico ed elettronico, con porte d accesso sulle due estremità. Condensatore evaporativo montato adiacente alla copertura stessa, dotato di ventilatori centrifughi trifase, distributori d acqua non inta- Fig. 6 - Modello rappresentativo dei raffreddatori evaporativi indiretti (Munters). 34
Fig. 7 - Schema di funzionamento dell unità di raffreddamento evaporativo indiretto della figura 6 (Munters). sabili e pompa dell acqua. Le unità a 4 compressori sono realizzate con 2 + 2 moduli anch essi assemblati su un unico basamento, come dimostra sempre la figura 5. Realizzate di varie versioni e grandezze costruttive, queste macchine (ARI 550/590) coprono un campo di potenze frigorifere da 50 tons (1 compressore) a 500 tons (4 compressori) (175 1750 kw). L unità è certificata IBC, in grado cioè di rimanere operativa anche dopo un evento sismico. Queste macchine possono essere dotate di sistema UPS per assicurare la continuità di funzionamento di fronte a temporanee cadute di tensione, come anche di sistemi di iniezione di refrigerante liquido nei compressori per far fronte ad alte temperature esterne, e all opposto, possono essere equipaggiate di kit per l avviamento anche a temperature invernali estreme, fino a -30 C, mediante opportuni interventi sul circuito della macchina. Raffreddatori Evaporativi Sviluppate sul principio del raffreddamento evaporativo indiretto, le unità OASIS PFC di Munters sono progettate per smaltire elevate potenze termiche negli impianti di condizionamento civili o industriali. Un modello è visibile nella figura 6. Gli scambiatori di calore in polimeri, di cui sono equipaggiate, presentano diversi vantaggi rispetto ai tipi in metallo usati correntemente. Infatti, secondo il costruttore, richiedono una minore manutenzione poiché non si producono incrostazioni sui tubi e non necessitano di trattamenti chimici dell acqua, eliminando i costi e il lavoro altrimenti richiesti. E neppure si richiede alcuna protezione antigelo. Un altro vantaggio non da poco è il minor peso delle macchine, a parità di potenza smaltita rispetto a unità tradizionali, che ne favorisce l installazione su tetto. La costruzione della macchina, come dallo schema nella figura 7, consiste in un banco di ventilatori elicoidali nella parte inferiore che soffiano l aria verso l alto; essa attraversa dapprima la zona di caduta dell acqua e quindi lo scambiatore di calore in polimeri, successivamente fuoriesce e prosegue attraversando i separatori di gocce liberandosi in atmosfera. Immediatamente al di sotto dei separatori sono situati gli ugelli di spruzzamento del- l acqua alimentati da una pompa di modesta capacità che pesca un serbatoio di raccolta. Il funzionamento delle macchine avviene sul principio del raffreddamento evaporativo indiretto, un sistema di raffreddamento a basso consumo di energia senza utilizzo di circuiti a compressione e quindi di refrigeranti. I soli consumi sono quelli dei ventilatori e della pompa. La macchina utilizza l aria esterna e modesti quantitativi d acqua spruzzata (ma solo quando le condizioni lo richiedono) sullo scambiatore di calore in polimeri. La potenza smaltita Le macchine sono realizzate in versioni da uno a cinque moduli. Per la potenza smaltita varia tra da 96 a 480 kw, e il costruttore indica due regimi di funzionamento: - ad umido (con pompa e ventilatori attivi, aria entrante 35 C B.S., 25,6 C B.U., acqua entrante / uscente 35,0 / 29,5 C, uscente) - a secco (con soli ventilatori attivi, aria entrante 10 C B.S., 7,2 C B.U., acqua entrante /uscente c.s.) Questa tipologia di macchine è prevista per impieghi soprattutto nell industria dove esistono elevate aliquote di calore da smaltire per periodi protratti nel corso dell anno, anche nella stagione invernale. Conclusioni Nell articolo per motivi di spazio sono state presentate solo alcune delle macchine frigorifere con caratteristiche peculiari per applicazioni Mission Critical. Sul mercato internazionale sono altresì presenti altre tipologie di gruppi di raffreddamento speciali, alcune fortemente innovative. Gli esempi riportati si spera siano sufficientemente significativi per dimostrare che per applicazioni Mission Critical la tecnologia delle macchine frigorifere debba essere sostanzialmente diversa da quelle per utilizzi di benessere. ^ RIPRODUZIONE RISERVATA 35