Impianti di refrigerazione e nuove tecnologie: dal recupero di calore alle tecnologie per l’aumento dell’efficienza

I gruppi frigoriferi o impianti di refrigerazione sono macchine di fatto semplici nel concetto del principio di funzionamento atte a raffreddare un fluido che solitamente è acqua nella maggior parte degli impianti. La prima macchina frigorifera è stata costruita dallo statunitense Oliver Evans nel 1805. Di fatto però si dovrà aspettare il 1876 per vedere le prime macchine che sfruttano il processo della liquefazione di un gas per produrre il freddo. Oggi, dopo quasi 150 anni, la tecnologia ha fatto passi da gigante e le soluzioni applicate ai normali gruppi frigoriferi per aumentarne l’efficienza o massimizzare il recupero di energia, sono molteplici, molte volte poco conosciute.

Ma quali sono le più interessanti tecnologie di cui possono essere dotati i gruppi frigoriferi?

Le tecnologie applicate ai gruppi frigoriferi sono:

• TECNOLOGIE PER L’AUMENTO DELL’EFFICIENZA DEL GRUPPO FRIGORIFERO
  • Compressori centrifughi a levitazione magnetica
  • Sistemi di raffreddamento adiabatico

• TECNOLOGIE PER IL RECUPERO DELL’ENERGIA
  • Gruppi frigoriferi polivalenti
  • Gruppi frigoriferi energy raiser
  • Gruppi frigoriferi dotati di free cooling

TECNOLOGIE PER L’AUMENTO DELL’EFFICIENZA

Nei normali gruppi frigoriferi, possono essere applicate nuove tecnologie che permettono di aumentare in modo considerevole l’efficienza complessiva delle stesse.

I compressori centrifughi a levitazione magnetica

I normali compressori con cui sono equipaggiati i gruppi frigoriferi moderni, grazie alle innovative tecnologie costruttive sempre più raffinate, hanno permesso di aumentare in modo considerevole l’efficienza energetica complessiva dei refrigeratori. Però un notevole passo in avanti, è stato possibile grazie all’uso dei compressori centrifughi a levitazione magnetica che permettono di raggiungere rendimenti elevati, non ottenibili con compressori scroll o a vite.

I principali vantaggi ottenibili da tali compressori sono i seguenti:

• Straordinaria efficienza energetica da cui si ottiene una notevole riduzione dell’emissione di CO₂ con un miglioramento del +33% dell’IPLV (Integrated Part Load Value) in molte applicazioni. La riduzione media della richiesta di energia rispetto a un gruppo frigorifero tradizionale si attesta in condizioni normali attorno ad un 30 – 50% (negli Stati Uniti queste elevate efficienze contribuiscono a ottenere punti LEED® USGBC).
• Elevata vita del compressore grazie all’assenza di superfici soggette a usura meccanica. I compressori centrifughi infatti, sono dotati di cuscinetti magnetici senza attrito.
• I compressori centrifughi a levitazione magnetica, non necessitano di olio di lubrificazione per i motivi descritti in precedenza.
• Peso inferiore rispetto a compressori di tipo a vite.
• Ridotto livello di pressione sonora rispetto ai compressori a vite o a pistoni.
• Basse spese di manutenzione grazie all’assenza di olio in quanto non vi è la necessità di sostituire tale fluido.

Come evidenziato in precedenza, l’adozione di compressori centrifughi, può portare a ottenere una riduzione dei consumi di energia elettrica anche del 50% rispetto a macchine con compressori tradizionali, grazie all’adozione di inverter a frequenza variabile che permette la riduzione della velocità di riduzione del compressore, man mano che la temperatura di condensazione e/o il carico di calore diminuiscono.

Raffreddamento adiabatico impianti di refrigerazione

Semplice ma altrettanto efficace è l’adozione di sistemi di raffreddamento adiabatico dell’aria prima che la stessa venga aspirata dal refrigeratore in due modi:

• Attraverso l’adozione di una serie di ugelli che sono in grado di nebulizzare acqua con la quale l’aria può essere raffreddata
• Attraverso dei pannelli adiabatici, ossia dei pannelli che vengono bagnati da acqua prima di essere attraversati dall’aria verso il gruppo frigorifero.

E’ evidente che si deve prestare particolare attenzione nell’adottare tale tecnologia, per i seguenti motivi.

• L’acqua deve essere adeguatamente e opportunamente trattata e filtrata, prima del suo utilizzo, al fine di evitare depositi calcarei, polvere o altro che possa ridurre le sezioni di passaggio attraverso le alette delle batterie. Si deve inoltre prestare attenzione al possibile problema delle legionella.
• Con l’adozione dei pannelli adiabatici è necessario verificare preventivamente che sia possibile variare la velocità dei ventilatori per poter sopperire all’aumento di perdita di carico complessiva dell’aria. Non ultimo va verificate che l’eventuale aumento delle velocità dei ventilatori non comporti il superamento dei limiti di rumorosità previsti per la specifica applicazione e per il contesto in cui si inserisce il gruppo frigorifero.

Il sistema di raffreddamento adiabatico dell’aria, prima dell’attraversamento della batteria di condensazione, comporta un risparmio energetico che può arrivare fino al 30%, evitando al contempo surriscaldamenti della macchina e scongiurando la possibilità di avere un arresto della stessa.

 TECNOLOGIE PER IL RECUPERO DELL’ENERGIA

Recuperare energia che altrimenti sarebbe stata persa in condizioni normali, è fondamentale per poter massimizzare l’efficienza globale di un gruppo frigorifero.

Impianti di refrigerazione energy raiser

I gruppi frigoriferi energy raiser permettono di recuperare energia termica nel periodo estivo, durante l’utilizzo di un gruppo frigorifero, in modo pressoché gratuito.

Questa soluzione è sfruttabile grazie all’inserimento di una batteria di scambio termico che recupera il calore smaltito dal condensatore durante il funzionamento del refrigeratore per la produzione di vettore frigorifero, calore che verrebbe altrimenti smaltito direttamente nell’ambiente esterno. Questa soluzione trova particolare diffusione in tutti quegli ambiti nei quali è richiesto il raffrescamento degli ambienti, ma sono contemporaneamente presenti elevati consumi di acqua calda sanitaria, come può avvenire nel settore ospedaliero, nelle cucine industriali, nelle strutture sportive o edifici similari, nei quali è richiesto fluido freddo da inviare agli impianti di climatizzazione e contemporaneamente avvengono elevati prelievi di acqua calda sanitaria.

Il riscaldamento dell’acqua avviene in modo pressoché gratuito, ma non completamente, in quanto l’adozione di una batteria di scambio termico posta sul condensatore del gruppo frigorifero genera una fisiologica perdita di carico lato aria. Questa condizione comporta un maggiore funzionamento dei gruppi di ventilazione dovuta alla maggiore perdita di carico generata dall’aggiunta di un’ulteriore batteria. E’ evidente che tale aumento di richiesta energetica è limitato e abbondantemente assorbito dal risparmio energetico conseguente alla riduzione di richiesta dei generatori di calore o di qualsiasi altro sistema utilizzato come elemento di compensazione del gap necessario per poter raggiungere le condizioni di temperatura dell’acqua desiderata. Il risparmio ottenibile in termini energetici può arrivare al 35% rispetto ad un equivalente gruppo frigorifero per sola refrigerazione.

Impianti di refrigerazione polivalenti

I gruppi frigoriferi polivalenti sono macchine in grado di produrre energia termica e frigorifera contemporaneamente. La differenza rispetto ai sistemi energy raiser descritti in precedenza, consiste nella rivisitazione completa e sostanziale del normale ciclo frigorifero. Le macchine polivalenti, di fatto, sono macchine il cui ciclo frigorifero è stato studiato ad hoc, nelle quali il fluido frigorifero, attraversa contemporaneamente, o in base alla richieste impiantistiche, due scambiatori di calore freon/acqua permettendo di fatto di produrre contemporaneamente acqua refrigerata e acqua calda a temperatura più alta rispetto alla temperatura recuperabile nei sistemi energy-raiser. In commercio esistono gruppi polivalenti a quattro o addirittura a sei tubi.

Impianti di refrigerazione con free cooling

Gli impianti di refrigerazione con free cooling sono utilizzati in tutti quegli impianti nei quali è richiesta la produzione di acqua refrigerata anche nel periodo invernale come può accadere nel caso dei Centri Elaborazione Dati (CED), di impianti industriali caratterizzati da macchinari che devono essere raffreddati, di macchine ospedaliere per la diagnostica, come per esempio alcune unità per la risonanza magnetica per le quali è indispensabile il raffreddamento del magnete interno.

E’ proprio con queste condizioni che trovano ampio utilizzo i sistemi free-cooling, che letteralmente significa “raffreddamento gratuito”.

I gruppi frigoriferi con free cooling permettono di produrre acqua refrigerata, disattivando il compressore e pertanto interrompendo il normale ciclo frigorifero, per produrre acqua fredda alla temperatura richiesta dall’impianto, ogni qualvolta la temperatura dell’aria esterna lo consenta, mantenendo attivi i soli ventilatori. Di fatto, il compressore è l’elemento meccanico che nel ciclo frigorifero comporta il maggiore assorbimento elettrico.

I gruppi frigoriferi con free cooling sono equipaggiati con una batteria opzionale adottata in modo specifico per poter effettuare tale tipo di recupero. Sull’evaporatore, infatti, viene installata una valvola di deviazione che ha la funzione di garantire l’invio diretto dell’acqua fredda all’uscita dell’evaporatore stesso, quando il ciclo frigorifero è attivato, ovvero di deviare l’acqua facendola transitare nella batteria opzionale di free cooling quando vi siano le condizioni favorevoli per poter attivare tale ciclo di recupero.

Non va però dimenticato che, nel caso in cui lo stesso impianto di refrigerazione sia utilizzato nel periodo invernale perché l’impianto richiede in modo continuativo acqua fredda, è necessario valutare la necessità di dotare l’impianto di opportuni fluidi che evitino il congelamento dell’acqua, soprattutto se sono presenti più unità refrigeranti poste in parallelo che vengano tenute in stand-by.

L’utilizzo di liquidi antigelo va valutata attentamente in quanto comportano una variazione delle caratteristiche fluido-chimiche dell’acqua con problematiche legate a maggiori perdite di carico e una riduzione delle rese frigorifere delle unità stesse. Non ultimo, non va dimenticato e sottovalutato il fatto che l’uso dei fluidi antigelo, richiedono specifici trattamenti dell’impianto stesso, al fine di ridurre l’aggressività della miscela sui materiali con cui entra in contatto. Non ultimo, non va dimenticato che lo smaltimento degli stessi fluidi antigelo, dannosi per l’ambiente, deve essere eseguito da ditte specializzate.

CONSIDERAZIONI FINALI

Esistono diverse tecnologie che caratterizzano i nuovi gruppi frigoriferi o che possono essere applicati agli stessi affinché possa essere massimizzata l’efficienza globale della macchine stesse e ancor di più, dell’impianto inteso come complesso tecnologico identificato come sistema di produzione, sistema distributivo e sistema di emissione.

Di fatto non è identificabile in modo immediato ed univoco quale sia la migliore della tecnologia applicabile in quanto rimane al progettista, capire volta per volta, quale sia la soluzione tecnica ottimale; è però vero che comunque si possono riportare alcuni dati che possono aiutare ad indirizzare i professionisti.

Nella tabella seguente di riportano i dati caratteristici di efficienza EER, ossia il rapporto di efficienza energetica di alcuni gruppi frigoriferi in base alla tecnologia applicata.

Come si può osservare, gli impianti di refrigerazione con raffreddamento adiabatico, hanno un’efficienza particolarmente elevata in quanto l’aria aspirata ha una temperatura nettamente inferiore rispetto all’aria aspirata da un refrigeratore standard, però va valutato un buon sistema di recupero dell’acqua, come può avvenire per l’acqua di condensa o l’acqua piovana, per massimizzare l’efficienza globale di impianto.

Secondo in termini di efficienza sono i refrigeratori con free-cooling. Macchine che si adattano e massimizzano la loro efficienza se installati su impianti nei quali è richiesta acqua refrigerata anche nei periodi freddi come può avvenire nei Data Center o in attività per le quali è richiesto il raffreddamento di alcuni locali in quanto i carichi endogeni sono elevati.

Gli impianti di refrigerazione con compressori centrifughi sono macchine che bene si adattano in quegli impianti nei quali si vuole inseguire in modo preciso e puntuale la le variazioni di carico mantenendo elevato il rendimento.

Seguono infine i gruppi frigoriferi polivalenti che hanno un’efficienza pressochè simile ad un gruppo frigo standard se non per il fatto che hanno la possibilità di recuperare energia termica da utilizzare per esempio per preriscaldare l’acqua calda sanitaria, o per alimentare le batterie di post riscaldo nella Unità Trattamento Aria per il controllo dell’umidità nel periodo estivo, portando ad un netto aumento dell’efficienza globale di impianto pur avendo un efficienza un po’ più bassa di generazione. Nella tabella seguente si riportano i valori di potenza termica recuperabile in funzione della produzione di vettore termico refrigerato.

Come si può osservare, la potenza termica recuperata è particolarmente elevata e pertanto è possibile sfruttare un recupero energetico gratuito di acqua calda dalla condensazione del gruppo frigorifero.

Non ultimo si riporta l’efficienza di un gruppo frigorifero con free-cooling raffrontando l’efficienza con compressore acceso e con sistema frigo spento con recupero totale grazie al funzionamento dei soli ventilatori. Questo accade quando la temperatura dell’aria esterna è più bassa rispetto alla temperatura dell’acqua di mandata all’impianto, situazione che può essere raggiunta in inverno o anche nella mezza stagione. Il tutto dipende da come vengono dimensionati i terminali a valle del sistema di generazione.

In linea generale preliminare si possono dare delle indicazioni preliminari sulla tipologia di tecnologia che potrebbe essere preferibile in funzione alla tipologia di refrigeratore, ricordando che rimane a carico del progettista trovare la massima integrabilità delle macchine in funzione alla specificità dell’impianto e dell’edificio che lo ospita.