RISPARMIO ENERGETICO – articolo 2 Il free-cooling

RISPARMIO ENERGETICO – art icolo 2
Il free-cooling d iretto
Articolo pubblicato da Michele Vio su CdA, aprile
2003
In Europa è sempre maggiore l’attenzione sul
risparmio energetico, visto soprattutto come
elemento fondamentale per ridurre le emissioni di
gas serra in atmosfera. Nel campo del
condizionamento dell’aria l’elevata efficienza sta
diventando sempre di più un elemento importante
per la scelta della macchina da installare.
Senzaltro tutto ciò è positivo, ma non basta. Il
problema energetico deve essere visto nel
complesso dell’impianto, non limitatamente al solo
gruppo
frigorifero.
Si
deve
partire
da
un’osservazione all’apparenza banale: il risparmio
maggiore lo genera una macchina ferma.
Prima di pensare a come produrre l’energia ci si
deve chiedere se essa sia davvero indispensabile
oppure ci siano degli altri sistemi naturali in grado di
condizionare gli ambienti abitati, riducendo al
minimo i consumi elettrici.
La risposta è senzaltro positiva: in tutti gli
impianti di climatizzazione si può far ricorso in gran
parte dell’anno si può utilizzare l’aria esterna,
opportunamente trattata, per e realizzare quello che
comunemente viene chiamato il free-cooling diretto.
In questo primo articolo sono descritti i vari
sistemi di sfruttamento dell’aria esterna per
massimizzare il risparmio anche in un clima
temperato, come quello italiano. Seguirà un
secondo articolo che dimostrerà, tramite delle
simulazioni per diverse tipologie d’edificio, i
vantaggi ottenibili con i sistemi di seguito descritti in
città europee, italiane e del bacino mediterraneo. I
risultati sono davvero sorprendenti, perché l’ordine
di grandezza del risparmio ottenibile anche in città
considerate “calde” è nettamente superiore a quello
raggiungibile con l’utilizzo dei migliori gruppi
frigoriferi in un impianto tradizionale senza freecooling.
L’esperienza del settore della telefonia fissa e
mobile
Nell’immaginario collettivo il free-cooling è visto
come un buon sistema per ottenere del risparmio
energetico solamente in climi freddi, come quelli del
nord Europa o, al massimo, dell’Italia settentrionale.
Nulla di più sbagliato: il primo sistema di
climatizzazione
conosciuto
dall’uomo,
il
raffreddamento adiabatico effettuato tramite le “torri
a vento”, ha avuto origine nell’antica Persia, paese
dal clima non propriamente nordico. Pertanto ci si
deve chiedere se e come sia possibile sfruttarlo
anche nell’area mediterranea, studiandone logiche
e limiti di utilizzo.
E’ stata l’esperienza della climatizzazione nel
settore della telefonia fissa e mobile a ispirare
RC GROUP
l’indagine. Lavorando sulle condizioni ambiente,
sulla distribuzione dell’aria e sfruttando al massimo
il free-cooling diretto negli ultimi 10 anni è stato
possibile ridurre del 90% i consumi elettrici per il
condizionamento, come dimostrano i due lavori
citati in bibliografia [1] [2]. Nelle nuove centrali
telefoniche di Telecom Italia il funzionamento dei
compressori è diventato un’eccezione, in tutte le
località italiane, comprese quelle del meridione.
Ci si è chiesti se la metodologia poteva essere
applicata anche al settore civile, con le dovute
correzioni. Come detto la risposta è stata
nettamente positiva. Come si vedrà nel prossimo
articolo, pur non raggiungendo, almeno ovunque, gli
stessi risparmi del settore tecnologico, tuttavia lo
sfruttamento del free-cooling porta a risultati
estremamente lusinghieri. Ciò è vero se al
tradizionale free-cooling si aggiungono semplici e
facili accorgimenti in grado di incrementarne
l’efficacia. Di seguito si descrivono i sistemi
utilizzabili.
Il free cooling diretto
In molti impianti capita spesso di dover
raffreddare l’ambiente non solamente in estate, ma
anche nella mezza stagione o in inverno, quando la
temperatura dell’aria esterna è inferiore di quella
mantenuta all’interno dell’edificio.
Un esempio tra tutti è quello di un centro
commerciale durante i giorni immediatamente
precedenti alle vacanze natalizie: l’affollamento
delle persone e l’illuminazione creano dei carichi
endogeni ben superiori alle dispersioni di calore
attraverso le pareti e le superfici vetrate, che
devono, pertanto, essere smaltiti dall’impianto di
condizionamento.
Per evitare un inutile spreco di energia, si può
sfruttare direttamente la bassa temperatura dell’aria
esterna, inferiore a quella interna, immettendola
direttamente nell’ambiente. Si ottiene così un
raffreddamento
gratuito,
free-cooling
nella
denominazione anglosassone. L’aggettivo “diretto”
è legato al fatto che l’aria esterna viene inviata
direttamente in ambiente, per distinguerlo dal freecooling indiretto, ottenuto sfruttando la bassa
temperatura dell’aria esterna per raffreddare l’acqua
di un circuito idraulico, da inviare ai terminali [2].
Il free-cooling diretto è sempre preferibile,
quando sia possibile utilizzarlo, perché permette dei
risparmi energetici più elevati.
Esistono sostanzialmente quattro sistemi distinti
per ottenere il free-cooling diretto:
free-cooling tradizionale
free-cooling assistito dal raffreddamento diretto
free-cooling
assistito
dal
raffreddamento
adiabatico indiretto
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RISPARMIO ENERGETICO – art icolo 2
Il free-cooling d iretto
free-cooling
assistito
dal
raffreddamento
adiabatico diretto ed indiretto
Dei quattro sistemi, il primo è il meno efficiente,
ma il più semplice, mentre l’ultimo è in assoluto il
più efficiente, ma richiede una regolazione più
complessa.
Nei
prossimi
paragrafi
si
approfondiscono pregi, difetti, modalità realizzative
e le logiche di regolazione.
Free-cooling tradizionale
Il free-cooling tradizionale viene effettuato
prelevando l’aria interamente dall’esterno quando
questo sia energeticamente conveniente rispetto a
trattare l’aria di miscela. Per prima cosa bisogna
pertanto capire quando il free-cooling faccia
effettivamente risparmiare.
Valgono le seguenti considerazioni:
per controllare le condizioni di un ambiente è
necessario scambiare sia calore sensibile (per
regolare la temperatura) che calore latente (per
regolare l’umidità specifica e relativa)
il controllo dell’umidità relativa è fondamentale
solamente per evitare che la stessa non superi
un livello massimo, al di sopra del quale non vi
sarebbero più le condizioni per il benessere
ambientale
fatte queste due doverose premesse, si può
dire che, in generale, il free-cooling è
energeticamente conveniente quando l’aria
esterna ha un’entalpia inferiore a quella dell’aria
interna
ciò è vero fino a quando vi è necessità di
scambio sia di calore sensibile che di calore
latente; quando invece vi è solo scambio di
calore sensibile bisogna aggiungere come
ulteriore vincolo che anche la temperatura
dell’aria esterna sia inferiore alla temperatura
dell’aria ambiente
Questi concetti sono perfettamente sintetizzati
nella Figura 1 in cui sono riportate sul diagramma
ASHRAE le aree di convenienza per l’uso del freecooling.
Come si può notare, se l’aria esterna si trova ad
una temperatura ed un’entalpia entrambe inferiori a
quelle del punto d’immissione teorico, l’intero carico
frigorifero è garantito in modo completamente
gratuito dall’immissione di aria esterna, secondo le
logiche di regolazione descritte più avanti. Si ha
quello che comunemente viene chiamato FreeCooling Totale (area blu).
Quando l’aria esterna si trova ad un valore
dell’entalpia inferiore a quello dell’aria d’immissione,
ma ad una temperatura superiore, si entra nell’area
del Free-Cooling Parziale (area azzurra). L’aria
esterna, da sola non riesce a smaltire la totalità del
carico sensibile, ma solo una frazione di questo,
perché la sua temperatura è superiore a quella
RC GROUP
necessaria al mantenimento delle condizioni
ambiente desiderate. Pertanto è necessario che la
restante parte del carico sensibile sia fornita dalla
batteria fredda, alimentata da acqua refrigerata
prodotta da un gruppo frigorifero, secondo le
logiche di regolazione descritte di seguito. Vi è
comunque un risparmio energetico inversamente
proporzionale alla differenza tra temperatura
dell’aria
esterna
e
temperatura
teorica
d’immissione.
Figura 1: aree di funzionamento del free-cooling
diretto
L’area del free-cooling parziale comprende tutti i
punti che abbiano valori di entalpia e temperatura
inferiori a quelli dell’aria ambiente. Le due
condizioni devono sempre verificarsi assieme.
L’aria esterna può infatti avere un’entalpia
inferiore all’aria ambiente, ma una temperatura
superiore. Ciò avviene perché il valore di umidità
specifica dell’aria esterna è basso, sempre inferiore
al valore dell’umidità specifica del punto
d’immissione. In queste condizioni lo scambio di
calore latente non è determinante, in quanto
l’umidità relativa dell’ambiente è già inferiore al
massimo valore consentito. Di contro, la potenza
sensibile richiesta alla batteria fredda per diminuire
la temperatura dal valore dell’aria esterna a quello
del punto d’immissione sarebbe sempre superiore a
quello richiesto per trattare l’aria di miscela. Questa
si trova sempre a temperatura inferiore a quella
dell’aria esterna, qualunque sia la percentuale di
aria ricircolata.
Se l’aria esterna si trova in un punto con
temperatura
e
entalpia
inferiori
a
quelle
dell’ambiente, ma con umidità specifica superiore, il
free-cooling è sempre conveniente sebbene alla
batteria sia richiesto anche uno scambio di calore
latente, oltre che sensibile, per portare l’aria esterna
alle condizioni d’immissione.
2/9
RISPARMIO ENERGETICO – art icolo 2
Il free-cooling d iretto
In teoria vi è una piccola area in cui il freecooling è conveniente anche se la temperatura
dell’aria esterna è superiore alla temperatura
ambiente, ma con entalpia inferiore. E’ il piccolo
triangolo, visibile in figura 1 compreso tra la retta
verticale a temperatura costante passante per
l’ambiente, la retta orizzontale a x costante
passante per il punto d’immissione e la retta a
entalpia costante passante per l’ambiente. Nei punti
compresi
all’interno
di
quest’area
sarebbe
conveniente usare il free-cooling perché la potenza
totale scambiata è inferiore rispetto al prelevamento
dell’aria di miscela, sebbene la potenza sensibile
sia superiore.
Il condizionale è d’obbligo, perché la logica di
regolazione del sistema, per sfruttare anche questi
punti, si complicherebbe enormemente, a fronte di
un risparmio energetico davvero esiguo. Pertanto,
nella pratica, quando l’aria esterna si trova in questa
piccola area triangolare, il free-cooling è sempre
escluso.
E’ interessante considerare il risparmio
energetico conseguibile mediante l’utilizzo del freecooling. La figura 2 mostra il risparmio conseguibile
sia in termini unitari (W/kg d’aria trattata) sia in
termini
percentuali
sull’intera
potenza
di
trattamento, per diversi valori della temperatura
ambiente al variare della temperatura esterna. Il
grafici sono validi per umidità relativa dell’aria
rispettivamente del 55% per l’ambiente e del 50%
per l’esterno ed una temperatura d’immissione di
16°C.
Dai due grafici si possono trarre delle conferme
e delle indicazioni sicuramente interessanti:
il free-cooling è totale per temperatura dell’aria
esterna
inferiore
a
quella
del
punto
d’immissione (nel caso in esame inferiori o
uguali a 16°C)
la potenza termica risparmiata tramite il freecooling si azzera per temperature uguali e
superiori a quella ambiente
per temperature intermedie si ha un risparmio
che si riduce in maniera lineare all’aumentare
della
temperatura,
fino
ad
annullarsi
completamente.
il risparmio è tanto maggiore quanto maggiore è
la differenza tra temperatura ambiente e
temperatura d’immissione; ciò è vero sia in
termini assoluti che in termini percentuali
il risparmio è sempre consistente, tale da
consigliare sempre l’uso del free-cooling
più alta è la temperatura ambiente, maggiore è
il campo delle temperature sfruttabili per il frecooling
Per ottimizzare l’effetto del free-cooling diretto
bisogna adottare una logica di regolazione
coerente, in grado di regolare non solamente
RC GROUP
l’apertura delle serrande, ma anche di impostare i
set-point più adatti al funzionamento.
figura 2: risparmio energetico conseguito con il
free-cooling (valido per UR esterna =
50%, UR interna = 55%, temperatura
d’immissione = 16°C)
La figura 3 mostra indicativamente lo schema di
una centrale di trattamento con free-cooling diretto.
In essa sono riportati gli elementi comuni a vari tipi
d’impianto (tutt’aria, post-riscaldamento di zona,
doppio canale, doppio condotto, VAV, ecc.).
L’aspetto più importante riguarda il canale di
presa e di espulsione. Negli impianti che richiedono
un afflusso di aria esterna nettamente inferiore alla
portata d’aria totale dell’impianto, il recuperatore di
calore, se presente, è dimensionato solamente per
questa frazione della portata. Sostanzialmente sia il
canale di presa che quello di espulsione si dividono
in due parti: una è dimensionata sulla portata d’aria
di rinnovo e transita attraverso il recuperatore,
mentre l’altra lo by-passa e serve per il
funzionamento in free-cooling con piena portata.
Ovviamente i due tratti parallei devono essere
dimensionati per avere uguale perdita di carico.
Nel funzionamento normale, la serranda S2
lascia sempre aperta la via verso lo scambiatore,
mentre la serranda S1 invia verso la camera di
miscela la parte di portata da ricircolare e verso
l’espulsione la restante parte della portata. Nel
3/9
RISPARMIO ENERGETICO – art icolo 2
Il free-cooling d iretto
funzionamento in free-cooling, la serranda S2
chiude completamente la via al recuperatore,
aprendo invece il by-pass, mentre a serranda S1
chiude completamente la via verso la camera di
miscela e l’intera portata viene prelevata
dall’esterno. Nel caso di scambiatori regolabili o
escludibili, la via attraverso lo scambiatore stesso
può essere sempre aperta. La serranda S2 si limita
quindi ad aprire i canali aggiuntivi dell’aria esterna.
Legenda
AE Aria esterna AR Aria ricircolo AS Aria espulsa
AM aria miscela
BC Batteria riscaldamento
S Serranda
BF Batteria raffreddamento
F Filtro
U Umidificatore Ven Ventilatore
BP Batteria post-riscaldamento
R Recuperatore
Figura 3:
schema indicativo di una centrale di
trattamento con free-cooling diretto
Il sistema di regolazione deve controllare in
sequenza tutti gli organi dell’impianto. La logica
della regolazione consigliata è la seguente:
regime invernale
E’ caratterizzato dal fatto che il set-point degli
ambienti è posto al valore minimo (ad esempio
20°C). La circolazione dell’acqua è attiva nelle
batterie di pre e post-riscaldamento mentre è
interrotta nelle batterie fredde (gruppi frigoriferi fuori
servizio).
La batteria di preriscaldamento è controllata a
punto fisso dalla temperatura letta dalla sonda T1
posta a valle dell’umidificatore (ad esempio 18°C). I
vari locali sono mantenuti alla temperatura di 20°C
(eventualmente modificabile dall’utente nell’arco di
un paio di gradi) e sono regolati dai sistemi locali,
diversi in funzione del tipo d’impianto.
RC GROUP
Possono verificarsi due condizioni: tutti i locali
richiedono riscaldamento oppure alcuni richiedono
riscaldamento ed altri richiedono raffreddamento.
Nel primo caso non si ha alcuna necessità dell’uso
del free-cooling, perché non è richiesto il
raffreddamento. Nel secondo caso invece si e il
funzionamento avviene nel seguente modo:
a) Mano a mano che il carico da smaltire in un
determinato locale aumenta, la regolazione
locale comincia a chiudere l’apporto di calore.
Poiché la temperatura di mandata dalla centrale
(quella regolata letta e regolata dalla sonda T1 è
inferiore al valore del set point) ad un certo
punto viene immessa in ambiente aria a
temperatura inferiore a quella ambiente
(nell’esempio 18°C contro 20°C), attivando di
fatto il raffreddamento
b) Qualora la temperatura di immisssione non
fosse sufficiente a smaltire il carico termico, la
temperatura dell’ambiente a maggior carico
tenderebbe a salire oltre il valore impostato. Il
raggiungimento di una certa soglia (esempio
SET + 0,7°C: 20,7°C nell’esempio) fa
intervenire una compensazione verso il basso
del set point della batteria calda, in modo
continuo o discreto, dal valore iniziale fino ad un
valore inferiore, generalmente quello della
batteria fredda (esempio 16°C).
c) Il valore di SET letto dalla sonda T1 comanda in
sequenza prima la valvola V1 della batteria
calda, portandola fino alla totale chiusura. Se
con la batteria completamente inattiva la
temperatura in uscita fosse ancora troppo
elevata, significa che il valore della temperatura
della miscela tra aria ambiente ed aria passante
per il recuperatore è ancora troppo elevata.
Come prima cosa il sistema regola la quantità di
calore recuperata, se il recuperatore permette
una simile funzione.
d) Se invece il regolatore non lo permette, oppure
quando questo sia completamente escluso, ma
la temperatura letta da T1 fosse ancora troppo
elevata, il sistema comincia ad attivare il freecooling (ovviamente deve avere un consenso
dalla lettura combinata di entalpia e
temperatura di aria esterna ed ambiente, intesa
questa come aria di ripresa, media delle
condizioni dei vari ambienti e letta dalla sonda
T2; in condizioni di regime invernale l’aria
esterna dovrebbe sempre essere a temperatura
e entalpia inferiore alla temperatura ambiente).
La serranda S2 si posiziona nella posizione di
free-cooling mentre le serrande S1 si muovono
per mantenere costante la temperatura letta
dalla sonda T1, fino ad aprirsi completamente
(condizione difficilmente raggiungibile in rgime
invernale). Si ha un free-cooling totale.
4/9
RISPARMIO ENERGETICO – art icolo 2
Il free-cooling d iretto
e) Il ciclo inverso si ha non appena la temperatura
ambiente in un qualunque locale scenda al di
sotto di un certo valore di soglia (ad esempio
SET – 0,7°C: 19,3°C nell’esempio). Il sistema
inverte tutto il ciclo di funzionamento, a partire
dal punto d fino a raggiungere il punto a.
regime estivo
E’ caratterizzato dal fatto che il set-point degli
ambienti è posto ad un valore superiore al minimo e
sicuramente vi è la necessità di raffreddamento. La
circolazione dell’acqua è attiva nelle batterie di postriscaldamento e fredda, mentre è interrotta nella
batteria di pre-riscaldamento.
L’aria in mandata all’impianto è mantenuta al
valore del set-point della batteria fredda (ad
esempio 16°C) misurato e controllato dalla sonda
T1. La logica di regolazione, molto semplice, è la
seguente:
a) il sistema di controllo verifica se l’aria esterna è
in condizioni tali da consentire l’uso del freecooling, ovvero la sua temperatura e entalpia è
inferiore a quella dell’aria esterna. Se così è, le
serrande S1 e S2 si posizionano in modo da
prelevare tutta aria esterna
b) la batteria fredda provvede a trattare
ulteriormente l’aria per portarla nelle condizioni
di immissione. Si è in presenza di free-cooling
parziale.
Free-cooling assistito dal raffreddamento
adiabatico diretto
E’ possibile incrementare i risultati ottenuti con il
free-cooling utilizzando il raffreddamento adiabatico.
Umidificando l’aria è possibile raffreddarla in modo
assolutamente gratuito. Se durante il funzionamento
in free-cooling si umidifica l’aria esterna si abbassa
la sua temperatura allargando il campo di
temperature utilizzabile per il free-cooling.
Figura 4: aree di funzionamento del free-cooling
con umidificazione adiabatica diretta
RC GROUP
La Figura 4 mostra sul diagramma ASHRAE le
aree per le quali è possibile utilizzare il free-cooling
totale o parziale.
Si riesce ad ottenere il free-cooling totale per
tutte
quelle
condizioni
termoigrometriche
caratterizzate da una entalpia inferiore a quella del
punto teorico d’immissione (area blu). Per tutti i
punti con entalpia compresa tra quella del punto
d’immissione e quella uguale al punto 1
(intersezione tra la retta orizzontale a x uguale a
quella d’immissione e la retta verticale a
temperatura uguale a quella ambiente), purché con
umidità specifica inferiore a quella d’immissione, è
possibile ottenere del free-cooling parziale,
attivando il raffreddamento adiabatico (area più
chiara a destra).
Nel diagramma si evidenzia anche l’area
triangolare grigia, compresa tra la retta dell’entalpia
del punto ambiente e la retta a umidità specifica pari
al valore d’immissione, dove è possibile sfruttare il
free-cooling, ma l’umidificazione deve essere
interdetta, perché porterebbe ad un aumento della
spesa energetica dovuta al maggior carico latente
richiesto alla batteria fredda.
Nell’area bianca, compresa tra la retta
dell’entalpia del punto 1 e quella del punto
ambiente, pur caratterizzata da valori dell’entalpia
inferiori di quella ambiente, non è conveniente
utilizzare il free-cooling perché porterebbe ad un
aumento della spesa energetica dovuto al maggior
carico sensibile richiesto alla batteria fredda.
Come si vede, l’area di utilizzo del free-cooling è
nettamente aumentata, soprattutto nella zona
caratterizzata da elevate temperature, ma bassa
umidità relativa, peraltro poco frequenti nel clima
mediterraneo. L’aumento è tanto maggiore quanto
più bassa è l’umidità relativa. Infatti è necessario
che il punto di uscita non sia mai ad un valore di
umidità specifica superiore a quello del punto
d’immissione teorico, perché altrimenti l’umidità
specifica in ambiente tenderebbe ad aumentare o si
richiederebbe alla batteria fredda un incremento di
potenza.
Poiché l’utilizzo o meno del raffreddamento
adiabatico dipende dal punto teorico d’immissione
ed in particolare dalla sua umidità specifica, va da
sé che, con il variare delle stagioni, muta sia il punto
d’immissione teorico che l’area di sfruttamento
dell’umidificazione adiabatica.
La figura 4 mostra il risparmio conseguibile, sia
in termini unitari assoluti (W/kg d’aria trattata), sia
percentualmente sulla potenza totale richiesta dal
trattamento, con un sistema a free-cooling unito
assistito dal raffreddamento adiabatico dell’aria
esterna. Il grafici sono validi per umidità relativa
dell’aria rispettivamente del 55% per l’ambiente e
5/9
RISPARMIO ENERGETICO – art icolo 2
Il free-cooling d iretto
del 50% per l’esterno ed una temperatura
d’immissione di 16°C in saturazione.
Come si può notare il free-cooling è totale fino
ad una temperatura dell’aria esterna di 22°C,
indipendentemente dalla temperatura mantenuta
all’interno degli ambienti. Per valori superiori il
risparmio decresce rapidamente in modo diverso a
seconda della temperatura mantenuta in ambiente.
In ogni caso il sistema garantisce prestazioni
energetiche decisamente superiori al solo freecooling tradizionale. La differenza è elevata in tutto
il campo delle temperature utili per il free-cooling,
ma ha un massimo spostato verso i valori più
elevati, laddove invece era carente il sistema di
free-cooling tradizionale.
Figura 5: risparmio energetico conseguito con il
free-cooling assistito dal raffreddamento
adiabatico dell’aria esterna (valido per UR
esterna = 50%, UR interna = 55%,
temperatura d’immissione = 16°C in
saturazione)
Va ricordato che questi vantaggi sono raggiunti
con umidità dell’aria esterna relativamente basse
(50%). Tuttavia, poiché il sistema è uguale a quello
tradizionale, perché cambia solo la logica di
regolazione), al massimo i suoi risultati sono
allineati a quelli raggiunti con il sistema senza
raffreddamento adiabatico.
RC GROUP
Dal punto di vista costruttivo il sistema con freecooling diretto assistito dal raffreddamento
adiabatico dell’aria esterna è assolutamente uguale
al sistema tradizionale mostrato in figura 3 L’unica
differenza riguarda solamente il dimensionamento
ed il posizionamento dell’umidificatore sulla linea di
mandata che deve essere ora verificato anche per
far fronte al funzionamento nel periodo estivo e
deve essere necessariamente posto a monte della
batteria fredda
E’ più complicata solamente la logica di
regolazione
nel
regime
estivo,
essendo
assolutamente uguale quella nel regime invernale.
Infatti si deve tener presente di un ulteriore fattore,
ovvero l’umidità specifica che non deve essere mai
superiore di quella del punto teorico d’immissione.
Questa, però, è conosciuto a priori per ogni singola
temperatura ambiente mantenuta. Basta avere a
disposizione un computer per poter calcolare, nota
perché misurata l’entalpia, quale deve essere la
temperatura a valle dell’umidificatore, che deve
necessariamente essere modulabile.
regime estivo
La circolazione dell’acqua è attiva nelle batterie
di post-riscaldamento e fredda, mentre è interrotta
nella batteria di pre-riscaldamento.L’aria in mandata
all’impianto è mantenuta al valore del set-point della
batteria fredda (ad esempio 16°C) misurato e
controllato dalla sonda T1. La logica di regolazione,
molto semplice, è la seguente:
a) il sistema di controllo verifica se l’aria esterna è
in condizioni tali da consentire l’uso del freecooling: l’aria esterna deve essere ad
un’entalpia inferiore di quella del punto 1,
individuato dall’intersezione della retta della
temperatura di set point ambiente e la retta di
umidità
specifica
del
punto
teorico
d’immissione, se l’aria esterna ha un’umidità
specifica inferiore al punto teorico d’immissione;
se viceversa la sua umidità specifica è
superiore, basta che l’entalpia sia inferiore a
quella della massima condizione ambiente
permessa. Le condizioni sono evidenziate nella
figura 4. Ovviamente la verifica va fatta
attraverso un semplice algoritmo posto in un
PLC. Se così è, le serrande S1 e S2 si
posizionano in modo da prelevare tutta aria
esterna e bypassare il recuperatore.
b) L’umidificatore raffredda adiabaticamente l’aria
esterna fino ad una certa temperatura misurata
dalla sonda T1. Il valore di questa temperatura è
ricavato per avere la stessa entalpia dell’aria
esterna ed un valore di umidità specifica pari a
quella del punto d’immissione teorico. Il calcolo
viene effettuato da un semplice algoritmo posto
in un PLC. Se il valore dell’umidità specifica
dell’aria è uguale o superiore a quallo del punto
6/9
RISPARMIO ENERGETICO – art icolo 2
Il free-cooling d iretto
teorico d’immissione, l’umidificazione si ferma
automaticamente.
c) Se la temperatura a valle dell’umidificatore
risultasse superiore a quella del punto teorico
d’immissione. la batteria fredda provvede a
trattare ulteriormente l’aria per portarla nelle
condizioni di immissione tramite il comando
ricevuto dalla sonda T2 il cui valore di set point
corrisponde a quello della temperatura teorica
d’immissione.
Come già ricordato in precedenza, con questo
sistema l’ambiente viene sempre tenuto al massimo
valore di UR consentito e il punto teorico
d’immissione corrisponde sempre a quello reale.
Free-cooling assistito dal raffreddamento
adiabatico indiretto
E’ possibile aumentare l’efficacia del sistema
free-cooling
tradizionale
anche
raffreddando
adiabaticamente l’aria d’espulsione, facendola
transitare per uno scambiatore di calore solo
sensibile per raffreddare l’aria esterna immessa in
ambiente. Si ottiene quello che è comunemente
chiamato “raffreddamento adiabatico indiretto”.
Se l’ambiente viene mantenuto ad un UR = 55%,
l’aria
espulsa
può
esssere
raffreddata
adibaticamente fino a 16°C, se l’ambiente si trova a
22°C, fino a 17,8°C, se l’ambiente si trova a 24°C e
fino a 19,5°C, se l’ambiente si trova a 26°C. L’aria
di espulsione può quindi raffreddare l’aria esterna in
alcune condizioni, permettendo di aumentare il
campo di temperature nel quale è sfruttabile il freecooling ed ottenendo un maggiore risparmio.
La figura 6 mostra il risparmio conseguibile, sia
in termini unitari assoluti (W/kg d’aria trattata), sia
percentualmente sulla potenza totale richiesta dal
trattamento, con un sistema a free-cooling unito ad
un recupero di calore con umidificazione
dell’espulsione. Il grafici sono validi per umidità
relativa dell’aria rispettivamente del 55% per
l’ambiente e del 50% per l’esterno, una temperatura
d’immissione di 16°C in saturazione ed efficienza
dello scambiatore pari a 0,65.
Come si può notare, i risultati sono ottimi. Il
campo di utilizzo delle temperature esterne si
allarga notevolmente. Il risparmio si mantiene molto
elevato in tutta l’area in cui il free-cooling è attivo.
Rispetto al free-cooling tradizionale la differenza di
risparmio è tanto più accentuata quanto più alta è la
temperatura dell’aria esterna.
Il sistema è più complesso rispetto al freecooling tradizionale e sicuramente più costoso. La
figura 7 mostra lo schema di una centrale di
trattamento dell’aria dotata di questo sistema.
Rispetto allo schema di figura 3 si notano subito
le subito differenze principali. Il recuperatore di
calore deve essere dimensionato per l’intera portata
RC GROUP
dell’aria. Analogamente deve essere dimensionato
per l’intera portata d’aria l’umidificatore posto sulla
tubazione di espulsione. Inoltre lo scambiatore deve
essere escludibile: in questo modo si può anche
evitare di inserire la serranda S2. Se invece lo
scambiatore non è del tipo escludibile è necessario
provvedere a costruire una canalizzazione di bypass, per poterlo escludere in alcune condizioni di
funzionamento descritte di seguito. Ciò fa
ovviamente aumentare i costi di installazione, a
fronte di un sicuro vantaggio economico durante il
funzionamento. Sicuramente il sistema è tanto più
conveniente quanto maggiore è la portata d’aria di
rinnovo rispetto al totale: in questo modo la
differenza di costo per l’inserimento di un
recuperatore di dimensioni maggiori è minore. Nel
caso l’impianto dovesse funzionare con sola aria
esterna, la differenza di costo sarebbe dovuta solo
alla presenza del secondo umidificatore e, pertanto,
diventerebbe irrilevante.
Figura 6: risparmio energetico conseguito con il
free-cooling assistito dal raffreddamento
adiabatico indiretto (valido per UR
esterna = 50%, UR interna = 55%,
temperatura d’immissione = 16°C in
saturazione)
La logica di regolazione nel regime invernale
(free-cooling totale)è del tutto analoga a quella
descritta nel capitolo precedente. Varia invece nel
regime estivo, quando entra in funzione il freecooling parziale.
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RISPARMIO ENERGETICO – art icolo 2
Il free-cooling d iretto
A parte all’eventuale campo di temperature in cui
è attivo il free-cooling, ma la temperatura di bulbo
umido dell’aria di espulsione è superiore a quella
dell’aria esterna, il recuperatore è sempre attivo,
mentre l’umidificazione sull’espulsione è attiva
solamente nel regime estivo.
Legenda
AE Aria esterna AR Aria ricircolo AS Aria espulsa
AM aria miscela
BC Batteria riscaldamento
S Serranda
BF Batteria raffreddamento
F Filtro
U Umidificatore Ven Ventilatore
BP Batteria post-riscaldamento
R Recuperatore
Free-cooling assistito dal raffreddamento
adiabatico sia diretto che indiretto
L’ultimo sistema preso in considerazione è la
combinazione del secondo e del terzo. Si inserisce
il concetto dello sfruttamento del raffreddamento
adiabatico dell’aria esterna ad un sistema dotato di
recuperatore di calore sensibile e umidificazione
dell’aria di espulsione.
Il sistema è in assoluto il più efficiente su tutto
l’arco di temperature. La figura 8 mostra il risparmio
conseguibile, sia in termini unitari assoluti (W/kg
d’aria trattata), sia percentualmente sulla potenza
totale richiesta dal trattamento. I grafici sono validi
per umidità relativa dell’aria rispettivamente del 55%
per l’ambiente e del 50% per l’esterno ed una
temperatura d’immissione di 16°C in saturazione.
Figura 7: schema indicativo di una centrale di
trattamento con free-cooling indiretto
regime estivo
La circolazione dell’acqua è attiva nelle batterie
di post-riscaldamento e fredda, mentre è interrotta
nella batteria di pre-riscaldamento.
L’aria in mandata all’impianto è mantenuta al
valore del set-point della batteria fredda (ad
esempio 16°C) misurato e controllato dalla sonda
T1. La logica di regolazione, molto semplice, è la
seguente:
a) il sistema di controllo verifica se l’aria esterna è
in condizioni tali da consentire l’uso del freecooling, ovvero la sua temperatura e entalpia è
inferiore a quella dell’aria ambiente. Se così è,
le serrande S1 si posizionano in modo da
prelevare tutta aria esterna
b) in base alla temperatura dell’aria di ripresa,
misurata dalla sonda T2 e della temperatura
esterna, il sistema di regolazione attiva o meno
il recuperatore e l’umidifcatore sull’espulsione.
Lo attiva se la temperatura a bulbo umido
dell’aria di espulsione è inferiore alla
temperatura dell’aria esterna, lo disattiva se è
superiore
c) la batteria fredda provvede a trattare
ulteriormente l’aria per portarla nelle condizioni
di immissione. Si è in presenza di free-cooling
parziale.
RC GROUP
Figura 8:
risparmio energetico conseguito
con il free-cooling assistito dal raffreddamento
adiabatico sia diretto che indiretto (valido per UR
esterna = 50%, UR interna = 55%, temperatura
d’immissione = 16°C in saturazione)
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RISPARMIO ENERGETICO – art icolo 2
Il free-cooling d iretto
Come si può notare il free-cooling è totale fino
ad una temperatura dell’aria esterna di 24°C (25°C
nel caso di ambiente mantenuto a 22°C). Per valori
superiori il risparmio decresce rapidamente in modo
diverso a seconda della temperatura mantenuta in
ambiente.
Lo schema della centrale di trattamento è
sostanzialmente uguale a quella di figura 7,
dimensionata come descritto in precedenza. L’unica
differenza riguarda l’umidificatore sulla linea di
mandata posto necessariamente a monte della
batteria fredda.
E’ più complicata solamente la logica di
regolazione
nel
regime
estivo,
essendo
assolutamente uguale quella nel regime invernale.
Infatti si deve tener presente di un ulteriore fattore,
ovvero l’umidità specifica che non deve essere mai
superiore di quella del punto teorico d’immissione.
Questa, però, è conosciuto a priori per ogni singola
temperatura ambiente mantenuta. Basta avere a
disposizione un computer per poter calcolare, nota
perché misurata l’entalpia, quale deve essere la
temperatura a valle dell’umidificatore, che deve
necessariamente essere modulabile.
regime estivo
La circolazione dell’acqua è attiva nelle batterie
di post-riscaldamento e fredda, mentre è interrotta
nella batteria di pre-riscaldamento.
L’aria in mandata all’impianto è mantenuta al
valore del set-point della batteria fredda (ad
esempio 16°C) misurato e controllato dalla sonda
T2. La logica di regolazione, molto semplice, è la
seguente:
a) il sistema di controllo verifica se l’aria esterna è
in condizioni tali da consentire l’uso del freecooling, ovvero la sua temperatura e entalpia è
inferiore a quella dell’aria ambiente. Se così è,
le serrande S1 si posizionano in modo da
prelevare tutta aria esterna
b) in base alla temperatura dell’aria di ripresa,
misurata dalla sonda T2 e della temperatura
esterna, il sistema di regolazione attiva o meno
il recuperatore e l’umidificatore sull’espulsione.
Lo attiva se la temperatura a bulbo umido
dell’aria di espulsione è inferiore alla
temperatura dell’aria esterna, lo disattiva se è
superiore
RC GROUP
c) L’umidificatore raffredda adiabaticamente l’aria
esterna uscita dal recuperatore fino ad una
certa temperatura misurata dalla sonda T1. Il
valore di questa temperatura è ricavato per
avere la stessa entalpia dell’aria esterna ed un
valore di umidità specifica pari a quella del
punto d’immissione teorico. Il calcolo viene
effettuato da un semplice algoritmo posto in un
PLC. Se il valore dell’umidità specifica dell’aria
è uguale o superiore a quello del punto teorico
d’immissione,
l’umidificazione
si
ferma
automaticamente.
d) la batteria fredda provvede a trattare
ulteriormente l’aria per portarla nelle condizioni
di immissione. Si è in presenza di free-cooling
parziale.
Bibliografia:
[1] M. Vio, M. Grossoni: “L’evoluzione degli
impianti di condizionamento negli edifici dedicati
alla tecnologia dell’informazione e della
comunicazione” – Atti del Convegno AICARR
“Condizionamento,
Riscaldamento,
Refrigerazione:
innovazioni e tendenze”
sessione Condizionamento, Milano marzo 2002
[2] M. Vio, R.Trecate: “ La progettazione del
risparmio energetico negli edifici dedicati alla
tecnologia
dell’informazione
e
della
comunicazione ” – Atti del Convegno AICARR
“Condizionamento,
Riscaldamento,
Refrigerazione:
innovazioni e tendenze”
sessione Condizionamento, Milano marzo 2002
Gli articoli citati sono disponibili all’indirizzo web
www.RcGroup.it. Per accedere ai documenti
bisogna registrarsi. Per trovarli facilmente, si deve
digitare una qualunque parola del titolo nella casella
“Cerca nel sito” in home page.
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