• Scelta di refrigeratori, impianti ad acqua refrigerata

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Obiettivi di apprendimento

  1. 1. Comprendere le diverse opzioni disponibili per i chiller in base ai requisiti di carico.
  2. 2. Imparare a calcolare una stima dei costi allo scopo di valutare l'impegno di investimento iniziale
  3. 3. Conoscere i calcoli adeguati per determinare i costi di esercizio dell'impianto di refrigerazione.

Figura 1: Il Northwestern Mutual Van Buren Office Building di Milwaukee è il risultato del retrofit di un edificio esistente in cui vengono utilizzati due chiller modulari per produrre acqua refrigerata per il raffreddamento. In primo piano è presente un modulo chiller di recupero del calore da 50 t che produceGli impianti ad acqua refrigerata sono sistemi di raffreddamento che fanno circolare l'acqua refrigerata all'interno di un edificio per raffreddarne e deumidificarne l'aria. Possono presentare qualsiasi tipo di forma, dimensione e configurazione. Gli impianti ad acqua refrigerata sono sistemi a circuito chiuso: l'acqua dell'impianto viene fatta continuamente ricircolare e non è esposta alla pressione atmosferica, come avviene negli impianti idrici domestici. Sebbene la scelta del tipo di chiller da utilizzare sia di solito dettata dalla capacità, esistono numerose teorie sul modo migliore di controllare, gestire e calcolare i costi operativi degli impianti.

Il primo passo nella scelta del chiller è conoscere le opzioni disponibili. Il carico complessivo di un edificio stabilirà la capacità totale, mentre il carico parziale determinerà il numero e la quantità di chiller richiesti; in caso di più chiller, sarà possibile organizzarli per rispondere ai requisiti di carico. Un carico di blocco prenderà in considerazione le peculiarità dell'edificio e i cambiamenti di carico in base all'esposizione, ai carichi interni ed esterni e agli orari di operatività dell'edificio, poiché non tutte le aree presenteranno picchi di utilizzo simultanei. Anche la funzione di un ambiente può influire sulle dimensioni e sull'affidabilità degli impianti. I servizi essenziali, come i Data Center o gli ospedali, richiedono affidabilità e ridondanza con l'impiego di un chiller di riserva o di chiller per livelli di ridondanza N+1 o 2N, secondo i requisiti dei proprietari. Inoltre, per il tempo di funzionamento del profilo orario dell'edificio potrebbero essere necessari chiller di dimensioni uguali o differenti.

Compressori dei chiller

La prima categoria di chiller viene definita dal metodo utilizzato per comprimere il refrigerante. I compressori a spostamento positivo operano con due dispositivi meccanici, quali i rotori a vite o a spirale. Tali dispositivi bloccano il vapore del refrigerante e lo comprimono riducendo gradualmente il volume per incrementare la pressione.

La maggior parte degli impianti ad acqua refrigerata di piccole dimensioni (fino a circa 200 t di capacità) utilizzano i compressori a spirale per la produzione di acqua refrigerata. La capacità dei chiller a spirale va da un minimo di 20 t fino a circa 200 t. Con l'incremento della capacità, nei chiller aumenta la quantità di compressori a spirale, di solito di dimensioni uguali, per fornire la capacità totale richiesta. Lo svantaggio è che il controllo della capacità del chiller viene fornito come controllo a scatti anziché come controllo modulante. Sebbene i vari compressori possano costituire uno svantaggio per il controllo della capacità, di solito vengono collegati con diversi circuiti refrigeranti che assicurano una certa ridondanza di sistema. Ad esempio, un chiller da 80 t potrebbe includere quattro compressori da 20 t, due su ciascun circuito refrigerante. Il guasto di un compressore causerà una perdita di capacità ma il chiller rimarrà in funzione e garantirà una resa di raffreddamento parziale.

Quando la capacità supera quella dei vari compressori a spirale, solitamente da quattro a sei da 30 t ciascuno, i chiller utilizzano i compressori a vite. I compressori a vite sono disponibili con capacità che arrivano fino a 500 t e possono variare la capacità della resa di raffreddamento da 100% a 20% grazie all'impiego di una paletta per limitare l'erogazione di refrigerante al compressore e assicurare una transizione omogenea e modulata tra le capacità. È importante notare che i chiller a vite dispongono di un solo compressore, quindi la perdita di funzionalità di quest'ultimo causerà la perdita totale della capacità del chiller. I chiller a vite generalmente presentano ottime efficienze kW/t a pieno carico e a carico parziale e sono spesso più rumorosi di quelli a spirale, con livelli di rumore più elevati nelle bande di ottava a frequenze minori.

Figura 2: Due chiller centrifughi raffreddati ad acqua da 500 t installati in un edificio adibito ad uffici con spazio per futuri chiller. Fonte: Ring & DuChateauIl terzo e ultimo tipo di compressore, il compressore centrifugo, opera sfruttando un concetto diverso che si basa sulla compressione dinamica per comprimere e innalzare la pressione del refrigerante. Viene utilizzata una girante per accelerare il refrigerante e consentire la conversione dell'energia cinetica in energia di pressione. I chiller centrifughi vanno da circa 200 t e arrivano fino a migliaia di tonnellate, a seconda del numero di compressori. Di norma i compressori centrifughi vengono utilizzati per la compressione di grandi volumi di refrigerante a pressioni relativamente basse e possono essere configurati specificamente per un'applicazione modificando il numero di stadi, la velocità e la portata dei compressori, il diametro della girante, il tipo di refrigerante e le dimensioni del mantello del condensatore e dell'evaporatore. Il controllo della capacità dei chiller centrifughi avviene tramite palette d'ingresso in corrispondenza degli ingressi del compressore, che permettono di variare il flusso di refrigerante in stadi in risposta al carico dell'edificio. Per il controllo della capacità è inoltre possibile usare un'unità a frequenza variabile (VFD, Variable Frequency Drive) allo scopo di variare la velocità di rotazione della girante in combinazione con le palette d'ingresso. Le palette d'ingresso e le unità VFD svolgono diverse funzioni: le prime sono usate per edifici che possono presentare grandi variazioni di carico, mentre le unità VFD dovrebbero essere impiegate in edifici con elevate variazioni di portanza, che equivalgono a modifiche nella riduzione della pressione del condensatore. Le unità VFD non rappresentano sempre una soluzione appropriata per i chiller e il loro utilizzo dipende in misura preponderante dalla capacità di variare le temperature. A prescindere, è necessario prestare particolare attenzione alle condizioni di basso carico prossime al 20% della capacità, in cui l'efficienza diminuisce rapidamente e il chiller opera in una condizione definita "di pompaggio".

I chiller centrifughi operano anche ad alte velocità, condizione che può generare una maggior trasmissione di vibrazioni e rumore nella struttura dell'edificio, ma sono dispositivi estremamente affidabili e resistenti. I compressori centrifughi presentano ottime efficienze in tutto il loro intervallo di funzionamento e sono relativamente compatti in termini di portata per metro quadro di spazio fisico meccanico. Un chiller centrifugo può variare la capacità continuamente invece di adottare un controllo a scatti, fornendo una resa di capacità basata sul profilo di carico dell'edificio. Ciò consente un controllo accurato della temperatura con l'utilizzo della sola energia richiesta. La figura 2 mostra due chiller centrifughi installati in un edificio adibito ad uffici.

Scambiatori di calore

Figura 3: Vista finale che mostra cinque chiller modulari e uno scambiatore di calore tra le unità nella parte inferiore, con due compressori nella parte superiore. Per questo progetto, un chiller modulare era l'unica opzione per il seminterrato di un edificio esistente, a causa dei limiti di spazio. CLa categoria successiva di chiller è definita in base al tipo di scambiatore di calore impiegato nel dispositivo. La scelta può ricadere su scambiatori di calore raffreddati ad aria o ad acqua e avrà un notevole impatto sull'efficienza e sul costo del chiller. I chiller raffreddati ad aria presentano capacità fino a 500 t, mentre quelli raffreddati ad acqua arrivano a quasi 9.000 t.

I chiller raffreddati ad aria operano in base al principio dell'utilizzo dell'aria per respingere il calore dell'edificio, che si avvicina alla temperatura a bulbo secco dell'ambiente esterno. Di conseguenza, questi sistemi devono innalzare la temperatura e la pressione del refrigerante a una condizione più elevata e, rispetto ai chiller raffreddati ad acqua, richiederanno una quantità maggiore di energia per produrre lo stesso raffreddamento. Nonostante ciò, i chiller raffreddati ad aria offrono il vantaggio di un sistema monoblocco con un unico referente in termini di responsabilità. Anche i tempi di progettazione e installazione risultano ridotti, grazie al minor numero di dispositivi interessati: non sono necessarie le torri di raffreddamento, con l'eliminazione dei relativi problemi di congelamento, il consumo di acqua di accumulo e il trattamento di sostanze chimiche oppure le pompe per acqua di condensa. I chiller raffreddati ad aria utilizzano compressori a spirale fino a 200 t e compressori a vite oltre i 200 t di capacità.

L'alternativa è costituita dai chiller raffreddati ad acqua. Tali dispositivi operano servendosi di acqua per respingere il calore dell'edificio, che si avvicina alla temperatura a bulbo umido dell'ambiente esterno, solitamente inferiore rispetto alla temperatura a bulbo secco. Di conseguenza i chiller raffreddati ad acqua sono più efficienti in termini energetici poiché la temperatura di condensa è inferiore ed è richiesto meno lavoro da parte del compressore per innalzare la temperatura e la pressione del refrigerante. Sebbene l'energia di questo tipo di dispositivo possa essere minore rispetto a quella di un chiller raffreddato ad aria con caratteristiche simili, è necessario tenere presenti tutti i costi del sistema, incluse la torre di raffreddamento e le pompe per acqua di condensa. I chiller raffreddati ad acqua (fino a 200 t) di minori dimensioni sono dotati di vari compressori a spirale, quelli compresi tra 200 e 500 t utilizzano compressori a vite, e i modelli oltre 500 t si servono principalmente di compressori centrifughi. Di solito i chiller raffreddati ad acqua durano molto più a lungo di quelli con raffreddamento ad aria grazie alla collocazione del sistema all'interno dell'edificio e alle pressioni operative inferiori dovute all'uso dell'acqua come fluido di condensa.

Figura 4: Sono illustrati due chiller a vite raffreddati ad aria da 400 t in parallelo per una struttura industriale. Fonte: Ring & DuChateau
Un altro elemento da valutare è il metodo di raffreddamento di compressore e motore, che può essere costituito da un'unità aperta o da un sistema ermeticamente sigillato. Con un chiller a unità aperta, il calore viene respinto direttamente nel locale caldaia e deve essere raffreddato o ventilato dall'aria dell'ambiente: ciò potrebbe richiedere elevati volumi di aria per il raffreddamento del locale. Si potrebbero poi verificare ingressi di agenti contaminanti nel motore e perdite dalle guarnizioni del refrigerante, in assenza della corretta manutenzione. I chiller ermetici o semiermetici sono raffreddati da liquido refrigerante e il calore viene respinto all'interno di quest'ultimo, riducendo il carico di espulsione del calore nel locale caldaia. Queste macchine non richiedono guarnizioni poiché il motore è completamente inserito in un alloggiamento, quindi non si può verificare alcuna perdita di refrigerante all'esterno del sistema.

Chiller modulari

I chiller modulari costituiscono l'opzione più recente disponibile sul mercato e la loro diffusione è in aumento. Sono simili a gruppi funzionali in cui è possibile aggiungere moduli di varie capacità per ottenere la capacità complessiva richiesta. I moduli standard sono disponibili con capacità di 30, 50, 70 e 85 t e sono costituiti da compressori a spirale o a vite. I chiller sono specificamente concepiti per il passaggio attraverso i varchi in nuove installazioni o retrofit, e sono estremamente compatti. L'ingombro fisico dei moduli per chiller fino a 85 t è di 1 solo metro quadro circa all'interno dell'edificio e non sono necessari gli ampi spazi richiesti per la posa dei tubi dell'evaporatore e del condensatore. Questi moduli possono quindi essere combinati fino a circa 1.000 t di capacità complessiva del chiller. Quando i carichi dell'edificio aumentano o vengono realizzati degli ampliamenti, è possibile installare un modulo aggiuntivo della capacità necessaria, a condizione che i sistemi di distribuzione siano configurati per il carico supplementare. Analogamente, invece di acquistare un chiller totalmente ridondante per capacità N+1, si può aggiungere un modulo supplementare che offrirà caratteristiche di ridondanza a un costo nettamente inferiore rispetto a un intero sistema ridondante monoblocco.

Nonostante i vantaggi dei chiller modulari, un aspetto negativo importante è l'elevato costo iniziale. La maggior parte dei chiller modulari presenta costi pari al 150/200% rispetto a quelli di un chiller raffreddato ad acqua di portata simile. In secondo luogo, le efficienze dei chiller modulari non sono di solito elevate come quelle dei dispositivi standard raffreddati ad acqua, a causa dei compressori utilizzati nei chiller. Terzo, il trattamento dell'acqua è essenziale poiché i chiller modulari utilizzano uno scambiatore di calore a piastre e telaio anziché un modello a fascio tubiero e sono quindi necessarie attività di pulizia per evitare la formazione di incrostazioni e l'occlusione degli scambiatori di calore. Devono essere sempre impiegati filtri esterni doppi, per poter effettuare la manutenzione su un filtro e garantire nel contempo il funzionamento del dispositivo grazie all'altro filtro. Allo stesso modo, gli scambiatori di calore devono offrire la possibilità di eseguire interventi di manutenzione completa e possedere singole valvole di isolamento per isolare lo scambiatore senza arrestare il chiller. La figura 3 mostra un esempio di chiller modulare con scambiatore di calore totalmente accessibile per interventi di manutenzione.

Figure 5 e 6: Opzioni di chiller raffreddati ad acqua e ad aria offerte dai principali produttori in base alla capacità e al tonnellaggio unitario. Fonte: Ring & DuChateau

I chiller tendono ad avere numerosi elementi in comune e opzioni all'interno di ciascun range di capacità e ciascuna categoria descritta in precedenza. Le figure 5 e 6 forniscono un metodo semplificato per osservare i range e i tipi di compressore per i chiller raffreddati ad aria e ad acqua offerti dai principali produttori del settore.

Investimento iniziale

I costi iniziali sono sempre un punto critico in tutti i progetti. In alcuni casi possono avere maggior peso rispetto ai costi di esercizio e del ciclo di vita. Dato che le spese per i chiller variano notevolmente, è difficile indicare un costo iniziale complessivo in base alle dimensioni di ciascun sistema, poiché ad esse sono associati numerosi fattori a seconda del produttore.

In generale, i chiller a spirale sono i più costosi tra i tre tipi di dispositivi analizzati. I chiller centrifughi rappresentano la soluzione più vantaggiosa in termini di costi ma non sono disponibili in tutti i livelli di portata. Nel caso in cui, a parità di capacità, siano disponibili sia compressori a vite che compressori centrifughi, i primi risultano solitamente più cari del 10-15%. Allo stesso modo, i chiller raffreddati ad aria costituiscono un investimento iniziale più oneroso rispetto a un sistema raffreddato ad acqua di dimensioni simili, se si considerano specificamente i costi iniziali.

Tuttavia, quando si valutano le spese totali di installazione, inclusi tutti i componenti necessari per un'operatività completa del dispositivo, l'investimento sarà sempre più ingente per un sistema raffreddato ad acqua rispetto a un chiller raffreddato ad aria. Il motivo? Un sistema raffreddato ad aria richiede soltanto chiller e pompe dell'acqua refrigerata, mentre per garantire il funzionamento completo di un dispositivo raffreddato ad acqua e ricavare vantaggi in termini di efficienza energetica sono necessari chiller, pompe dell'acqua refrigerata, pompe per acqua di condensa e torri di raffreddamento.

Figure 5 e 6: Opzioni di chiller raffreddati ad acqua e ad aria offerte dai principali produttori in base alla capacità e al tonnellaggio unitario. Fonte: Ring & DuChateau

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