Il recupero di calore dal refrigeratore

Di norma nel settore HVAC i refrigeratori sono impiegati per la sola produzione di acqua fredda. Al contrario da ormai diversi anni, grazie ai continui progressi della tecnologia, i chiller vengono sempre più spesso ottimizzati anche per il recupero del calore, diventando così utili anche per le funzioni di riscaldamento e produzione di acqua calda.

di Luca Ferrari

In una qualsiasi costruzione civile le apparecchiature HVAC rappresentano una parte importante del consumo totale di energia, non solo dell’impianto, ma dell’intera struttura, modo per cui la possibilità di potersi avvalere di un recupero energetico del calore di norma dissipato in atmosfera dalle torri di raffreddamento e dal condensatore, diventa una nuova e valida occasione per convincere i responsabili delle strutture ed i proprietari degli edifici di pianificare un maggior investimento iniziale e avvalersi di questa soluzione al fine di ridurre notevolmente i costi di gestione dell’energia.

Nella modalità con recupero del calore con chiller raffreddati ad aria, il gas refrigerante caldo lascia il compressore ed entra nello scambiatore di calore dove l’energia nel gas refrigerante si trasferisce ad un circuito autonomo destinato alla produzione dell’acqua calda. Grazie a ciò, il refrigerante viene pre-raffreddato prima di entrare nella sezione condensante, riducendo così l’energia richiesta ai ventilatori e migliorando ulteriormente l’efficienza energetica.

Nei chiller raffreddati ad acqua il processo di recupero del calore è leggermente diverso. Invece dei ventilatori, i refrigeratori raffreddati ad acqua dissipano il calore in un circuito di condensazione che espelle il calore nell’atmosfera attraverso una o più torri di raffreddamento. Con l’opzione di recupero del calore, i refrigeratori raffreddati ad acqua recuperano il calore tramite un condensatore ausiliario o uno scambiatore di calore a piastre, realizzando così un circuito d’acqua secondario di riscaldamento per le utenze, mentre il circuito primario continua a smaltire il calore residuo in eccesso alle torri di raffreddamento.

Il recupero di calore generalmente riduce complessivamente il consumo di energia rispetto all’utilizzo separato dalle fonti di riscaldamento e raffreddamento e ridimensiona sempre la quantità di calore che viene espulsa.

Di contro va segnalato lo svantaggio che spesso questa architettura richiede più energia per il funzionamento della macchina rispetto al refrigeratore destinato al solo raffreddamento, poiché il chiller viene fatto funzionare ad una pressione e temperatura di condensazione più elevate. Per ridurre questo surplus di energia consumata è fondamentale recuperare il calore alla temperatura più bassa possibile.

Diverse le situazioni in cui si riscontra l’utilità di disporre del recupero di calore dal chiller, in particolare in quegli edifici in cui di frequente viene previsto un utilizzo simultaneo del raffreddamento e riscaldamento, come per esempio tra le zone interne e quelle perimetrali, cosi come negli impianti di condizionamento che prevedono l’impiego di unità di post-riscaldamento o soprattutto dove esiste una richiesta elevata di acqua calda sanitaria.

Le strutture e le attività più significative interessate al processo di recupero del calore le si riscontra cosi negli alberghi, negli uffici, negli ospedali, nelle scuole, ecc., ma sono altresì molteplici e diverse le situazioni di possibile vantaggio.

Va detto che se i miglioramenti dell’efficienza ottenuti con l’utilizzo del recupero di calore possono far sembrare la sua adozione una necessità indispensabile ove sia previsto l’utilizzo di un refrigeratore, vi sono invece poi ulteriori e necessarie considerazioni progettuali da attuare per rendere realmente proficua e idonea questa tecnologia nelle più diverse applicazioni.

Il recupero del calore del refrigeratore infatti richiede una infrastruttura impiantistica più complessa, oltre che dotata di un controllo più puntuale, al fine di garantire che la temperatura dell’acqua non influenzi i limiti di lavoro della temperatura/pressione del refrigerante. Così il controller utilizza specifici algoritmi per valutare la pressione del fluido refrigerante, la temperatura dell’aria esterna e altri input per determinare il segnale di uscita appropriato per la regolazione del circuito dell’acqua prelevata per il riscaldamento. Il sistema deve essere ovviamente in grado di adattarsi alle mutevoli condizioni dei carichi sia di raffreddamento che di riscaldamento e soprattutto agevolare quanto più l’incontro tra la domanda e l’energia termica erogata.

IL RISPARMIO

Il risparmio energetico gioca sempre un ruolo importante quando si decide di installare un’applicazione di recupero di calore, poiché come detto di norma questa soluzione richiede sempre un investimento iniziale maggiore. L’aumento standard del rapporto di efficienza energetica a pieno carico (EER) per i refrigeratori con compressori scroll di varie dimensioni quando si passa da un’unità standard ad un’unità di recupero del calore è di circa 0,5 EER. Ciò è dovuto al fatto che i ventilatori che agiscono per dissipare il calore dal condensatore funzionano per un minor numero di ore in ragione del fatto che il vapore refrigerante caldo viene preraffreddato quando trasferisce il calore al circuito dell’acqua di riscaldamento prima di entrare nella batteria condensante.

Questo a pieno carico, ma anche lavorando con carichi parziale l’efficienza risulta migliorata (addirittura rispetto anche al pieno carico). Tuttavia, con carichi molto bassi il vantaggio acquisito di efficienza risulta diminuito perché il tempo di funzionamento del ventilatore del condensatore è già di per sé ridotto per venire incontro al minor calore prodotto durante il funzionamento del chiller al minor carico e soprattutto per mantenere inalterato il salto di pressione del gas refrigerante.

Per le macchine in grado di produrre in modo simultaneo potenza frigorifera e potenza termica viene individuato l’efficienza di recupero TER (Total Efficiency Ratio), parametro cosi espresso:

TER = Potenza frigorifera + Potenza termica/Potenza elettrica assorbita

I valori consueti del TER sono notevolmente superiori ai valori del COP e del EER, e di solito son sempre superiori a 7, spesso oltre l‘8.

LE APPLICAZIONI

L’efficacia del recupero di calore varia in base alla progettazione dell’edificio, alla posizione geografica e al profilo dei carichi. Non tutti i progetti sono adatti per implementare un sistema con recupero di calore, ed è dunque importante rivedere la progettazione degli edifici per determinare la fattibilità dell’integrazione del processo (figura 1).

Fig. 1 – Un’accurata analisi energetica dei carichi termici richiesti dall’edifico in raffreddamento e riscaldamento diventa un punto di partenza obbligato della progettazione al fine di consigliare l’impiego di un chiller con recupero di calore (Mitsubishi Electric)

Tuttavia, poiché vi è una crescente “attenzione” in merito all’efficienza energetica e alle considerazioni ambientali, il recupero del calore con tutta probabilità diventerà a breve una valutazione quasi automatica sia per le operazioni di retrofit e sia soprattutto per le nuove realizzazioni. Come già detto oggi le applicazioni più interessate al recupero del calore risultano gli hotel, le strutture sanitarie e in un futuro magari non troppo remoto anche gli edifici scolastici.

Il settore ricettivo e turistico in generale (hotel, residenze) di norma richiede la più alta domanda di recupero di calore a causa del fabbisogno di acqua calda sanitaria, degli elevati tassi di occupazione (giorno e notte) e della richiesta simultanea di intervalli di riscaldamento e raffreddamento.

Gli edifici didattici, che detto francamente nel nostro paese quelli dotati di un serio impianto HVAC sono ancora oggi relativamente pochi, oltre a necessitare di grandi quantità di acqua calda sanitaria (ad esempio, palestre), presentano una eterogeneità di ambienti da climatizzare (aule, laboratori, auditorium, palestre, ecc.) che ne fanno una destinazione ottimale per la realizzazione di sistemi con recupero di calore.

Anche le strutture sanitarie utilizzano grandi quantità di energia per climatizzare a ben determinate (e differenti) temperature ed umidità i loro spazi. Cosi, per andare incontro ad una domanda termica eterogenea con differenti condizioni termoigrometriche la maggior parte degli ambienti possono ritrovarsi a necessitare alternativamente di condizioni di riscaldamento e raffreddamento dai sistemi HVAC. Inoltre, l’esigenza di poter disporre in modo contemporaneo delle funzioni di riscaldamento e raffreddamento viene vista sempre più favorevolmente in molte strutture sanitarie, in quanto si porta avanti la tendenza di consentire ai pazienti di controllare personalmente il comfort nella propria stanza, in modo che disporre di un’unita di refrigerazione con recupero del calore può consentire importati risparmi energetici.

Un’attenta progettazione, idonea a valutare la possibilità di avvalersi di macchine ed impianti che prevedano il recupero del calore dal chiller dovrebbe in ogni modo considerare:

  • Il calcolo dei carichi termici di raffreddamento e riscaldamento simultanei.
  • Una valutazione delle diverse fonti energetiche disponili (ad esempio, modellare ed integrare sistemi con refrigeratori elettrici e generatori di calore alimentati a gas naturale).
  • La modellazione dei consumi energetici in funzione delle diverse tariffe orarie applicate ai consumi (giorno, notte, picchi stagionali, e negoziare poi su questi parametri il contratto di fornitura dell’energia).
  • La modellazione puntuale delle differenti condizioni di recupero del calore del refrigeratore e il relativo consumo di energia.
  • Lo studio delle differenti configurazioni di impianto che possono essere utilizzate nelle applicazioni di recupero del calore.
  • Se si ritiene importante attuare una riduzione delle emissioni del processo, l’analisi dovrebbe essere in grado di mostrare le riduzioni di sostanze come la CO2, l’NOx (composti azoto-ossigeno) e l’SO2, in confronto con altri sistemi impiantistici.
  • Il dimensionamento del chiller a pieno carico di raffreddamento che consente il maggior recupero di calore. È importante che il chiller funzioni sempre in vicinanza al 100% del carico di raffreddamento durante il recupero di calore in modo da mantenere il differenziale di pressione di lavoro del gas prossimo a quello di progetto, riducendo così al minimo la quantità di bypass del gas caldo. Questa ottimizzazione del funzionamento del chiller in condizioni di recupero di calore richiede un’attenta analisi energetica annuale dei carichi termici.

LA TECNOLOGIA

Uno dei presupposti errati quando si parla di recupero di calore dal chiller è quello di considerare come un dato positivo quanto più è alta la temperatura dell’acqua in uscita dal condensatore (oltre i 60 °C).

Temperature dell’acqua su questi livelli non sono necessarie e di fatto, controproducenti poiché richiedono aumenti significativi dell’energia di raffreddamento, come verrà discusso più avanti. Un range di temperature ideali per il recupero di calore da qualsiasi refrigeratore, valori che possono essere utilizzati in molte applicazioni commerciali e istituzionali, dovrebbe essere di fatto compreso tra i 40 – 43 °C.

In questo modo la maggior parte dei refrigeratori standard raffreddati ad acqua può fornire acqua di riscaldamento dal condensatore operando a un livello leggermente superiore della temperatura di condensazione del refrigerante (40 °C).

In modo simile, ma non sempre eguale, i diversi produttori declinano a seconda del numero di condensatori, uno o due, le diverse architetture costruttive di chiller destinati al recupero di calore:

Nel primo caso, in cui viene utilizzato un solo condensatore, è previsto l’inserimento di uno scambiatore di calore collegato ad un circuito esterno dedicato appunto alla produzione di acqua calda (figura 2). Una parte del calore viene così recuperato dall’acqua di raffreddamento del condensatore prima che questo sia eliminato alla torre di raffreddamento.

Fig. 2 – L’inserimento di uno scambiatore di calore a piastre consente il recupero di calore dall’acqua del circuito di raffreddamento uscente dal condensatore prima che questo venga poi smaltito alla torre di raffreddamento

Si realizzano cosi di norma due circuiti ad acqua, il primo che recupera nello scambiatore a piastre il calore dal gas refrigerante e un secondo che fa circolare l’acqua dallo scambiatore di calore a piastre e la torre di raffreddamento.

Questo sistema tenendo separati i circuiti dell’acqua calda di riscaldamento con quello in cui scorre l’acqua proveniente dalle torri di raffreddamento elimina tra l’altro il rischio di incrostazioni provocata da quest’ultima sul circuito di riscaldamento.

In questo caso la temperatura nel circuito dell’acqua che opera il raffreddamento del gas nel condensatore risulta inferiore a causa appunto del trasferimento di calore supplementare allo scambiatore di calore.

Una variante di questo sistema di recupero sfrutta l’inserimento di uno scambiatore di calore tra l’uscita dal compressore del gas e il condensatore per cedere una parte di calore (desurriscaldamento) al circuito ad acqua per il riscaldamento. Questo metodo viene anche indicato come a recupero parziale del calore in quanto recupera tra il 10-30% della capacità refrigerante del chiller (figura 3).

Fig. 3 – Il parziale recupero del calore opera sulla parte surriscaldata del gas. Un desurriscaldatore inserito appena dopo il compressore preleva il calore per il circuito dell’acqua calda prima che questo venga ceduto al condensatore (Mitsubishi Electric)

Questa tipologia di impianto ha dalla sua una migliore ottimizzazione del COP invernale, ma di contro opera appunto solo un parziale recupero (funziona poi solo se la macchina è attiva anche in raffrescamento) e fornisce una copertura limitata del fabbisogno di acqua calda sanitaria.

In ogni modo anche con questa configurazione, lo scambiatore di calore deve essere comunque dimensionato per trattare il calore totale di smaltimento del chiller, nel caso appunto in cui il chiller lavori a pieno carico e viceversa non via sia nessuna richiesta di riscaldamento.

Nella seconda opzione, distinta per l’utilizzo di due condensatori (figura 4), il recupero del calore avviene direttamente dal gas caldo nel circuito refrigerante utilizzando un fascio condensante supplementare convogliato in parallelo con il condensatore principale. Il circuito di riscaldamento e il circuito della torre di raffreddamento restano sempre separati, evitando così anche in questo caso la contaminazione incrociata. Solitamente la temperatura del circuito che produce l’acqua calda è maggiore a causa di trasferimento di calore diretto dal fascio condensatore.

Fig. 4 – Un’architettura del chiller più complessa, ma indubbiamente più efficace, è quella che prevede il recupero di calore attraverso l’utilizzo di due distinti condensatori. Il primo condensatore, standard, mantiene la funzionalità del classico ciclo frigorifero smaltendo il calore alla torre di raffreddamento, mentre il secondo (che può essere anche più piccolo) convoglia il calore sul circuito di riscaldamento dell’acqua calda (Trane)

Vi è una maggiore complessità costruttiva, ma anche una maggiore flessibilità e potenzialità di recupero nel funzionamento estivo della macchina.

Questo refrigeratore può anche funzionare come refrigeratore di solo raffreddamento alla normale temperatura di condensazione. Questo tipo di chiller consente di controllare la quantità di calore da dissipare, anche se l’efficienza del refrigeratore viene compromessa per le maggiori temperature dell’acqua calda.

Il recupero del calore arriva fino al 100% della potenzialità del chiller, mentre la temperatura in uscita dell’acqua risulta maggiore di 48 °C.

Un variante di questo sistema prevede l’utilizzo di secondo condensatore di dimensioni minori (ausiliario), in grado di recuperare solo una quantità di calore parziale.

Di norma, la quantità di calore recuperata dal condensatore ausiliario non può essere controllata e in definitiva “si prende quello che dà”.

Poiché la temperatura dell’acqua di riscaldamento in uscita da questo tipo di refrigeratore risulta inferiore (ad esempio sui 30 °C), l’impiego del condensatore ausiliario è in genere limitato alle operazioni di preriscaldamento dell’acqua. Di buon conto questa variante come detto non richiede ulteriori controlli aggiuntivi e migliora effettivamente l’efficienza del refrigeratore riducendo la pressione del condensatore.

CARATTERISTICHE DEL RECUPERO DI CALORE

Si è detto che nella maggior parte dei chiller dotati di un sistema con recupero di calore, rispetto a quelli con funzionalità standard (senza recupero), si ottiene una temperatura più alta dell’acqua in uscita dal condensatore e di conseguenza si modifica l’efficienza energetica della macchina rispetto ad un chiller in funzionamento standard in solo raffreddamento. Nella figura 5 sono comparati i cicli termodinamici operativi di un chiller standard e di uno invece che prevede un sistema di recupero di calore.

Fig. 5 – Il confronto dei due diversi cicli termodinamici tracciati da un chiller funzionante in solo raffreddamento e da un altro dotato di recupero di calore (linee tratteggiate). Il recupero del calore, se da un lato incrementa a pieno carico un poco l’EER (e COP) del chiller con recupero di calore, dall’altro obbliga a lavorare con una pressione maggiore al condensatore (con un aumento del differenziale di pressione) e ne riduce la potenzialità refrigerante (Carrier)

Si possono così distinguere tra i due processi le seguenti differenze significative:

  1. Il differenziale di pressione previsto al compressore è maggiore per il ciclo con recupero di calore.
  2. La quantità di calore dissipata dal condensatore con recupero di calore è maggiore di quella che verrebbe ceduta dalla medesima macchina funzionate in solo raffreddamento.
  3. Un aumento della temperatura dell’acqua di riscaldamento comporta un aumento della temperatura di condensazione.
  4. Il ciclo termodinamico, e così il sistema, presenta un’efficienza energetica minore nel funzionamento con recupero di calore, a causa del maggiore differenziale di pressione e della conseguente riduzione dell’effetto di refrigerazione. In altre parole, questo significa che il compressore deve elaborare una maggiore quantità di gas a parità di kWf di refrigerazione prodotto.
  5. A seconda poi del tipo di compressore in uso nel chiller vi è un aumento della potenza richiesta per kWf di refrigerazione prodotto e quindi delle dimensioni della macchina.
  6. Di contro il recupero di calore consente di utilizzare complessivamente meno energia in confronto alla produzione termica separata di raffreddamento e riscaldamento, e riduce in ogni modo sempre il calore da rimuovere.

Entrando poi maggiormente nel dettaglio del chiller è possibile distinguere il diverso comportamento a seconda del tipo di compressore, sia questo volumetrico o centrifugo.

Compressore volumetrico

Un chiller dotato con un compressore volumetrico (alternativo, vite, scroll ecc.) in grado di soddisfare le esigenze di un determinato carico termico di raffreddamento specifico può operare anche in modalità di recupero di calore, ma con capacità ed efficienza ridotte.

Va detto poi che aumentando la temperatura (e pressione) di condensazione del gas vi è un quasi aumento lineare della percentuale della potenza necessaria al funzionamento del compressore.

Ad esempio, la produzione di acqua calda fino alla temperatura di 60 °C aumenta i kW / kWf (refrigerazione) dell’80% e richiede come conseguenza un refrigeratore di dimensioni maggiori almeno del 20%; viceversa, limitando il valore della temperatura dell’acqua riscaldata nell’intorno dei 40 ºC questo produce un aumento del solo 16% dei kW / kWf (refrigerazione) e una modesta riduzione della capacità termica di refrigerazione.

Compressore centrifugo

Il comportamento di un chiller funzionante con compressore centrifugo è leggermente diverso dal caso precedente.

Le prestazioni di un medesimo chiller possono poi essere significativamente diverse se il diametro della girante del compressore centrifugo può essere modificata.

Infatti, a parità della capacità refrigerante, la potenza necessaria ad assicurare il salto di pressione differenziale, aumenta sì, ma in maniera diversa a seconda del diametro della girante del compressore.

Oltre a ciò un refrigeratore dimensionato con una determinata temperatura di recupero del calore risulta meno efficiente rispetto al funzionamento con temperature di condensazione minori, pur modificando (solo) le dimensioni della girante.

Questa minor efficienza del chiller alle più alte temperature di recupero del calore deve essere presa in considerazione quando vengono eseguite le necessarie analisi energetiche.

In condizioni di carico parziale, se il salto differenziale del refrigerante tra evaporatore e condensatore risulta troppo elevato, un compressore centrifugo può entrare in uno stato conosciuto come il cosiddetto fenomeno di “pompaggio” (surge). Il prolungamento temporale di questa situazione porta a situazioni di criticità finanche alla rottura del compressore e dunque dovrebbe essere quanto più limitato/evitato. Per evitare al compressore di ritrovarsi in questa indesiderata situazione, si dovrebbe verificare la capacità di scarico del refrigeratore a recupero di calore nelle condizioni di funzionamento e di temperatura dell’acqua del condensatore previsti.

Infatti, è necessario comprendere a quale percentuale del carico di raffreddamento il compressore non riuscirà più a garantire il differenziale di pressione richiesto, e dunque prevedere al di sotto di quel limite un funzionamento con bypass del gas caldo.

Un compressore centrifugo che opera in modalità scarica ha molta più difficoltà nell’ottenere elevati salti di pressioni differenziali. Se il salto di pressione differenziale diventa troppo elevato, il compressore va in stallo ed innesca il fenomeno del “pompaggio” di cui sopra, con le conseguenze di un più che probabile danneggiamento della macchina.

Impostare il controllo sulla temperatura dell’acqua calda di ritorno può consentire di operare in recupero di calore senza necessariamente operare un bypass del gas caldo.

Un compressore a più stadi possiede una maggiore capacità di superare il differenziale di pressione operativa in una applicazione che prevede la funzionalità con recupero di calore, e pertanto, riuscire a mantenere un funzionamento stabile su una più ampia gamma di condizioni di lavoro.

STRATEGIE DI CONTROLLO

In teoria la quantità di calore in gioco è data dalla somma del carico termico di raffreddamento e dalla potenza del compressore. La quantità massima di recupero di calore arriva al 100% della capacità di refrigerazione per alcuni chiller centrifughi che utilizzano per il recupero un condensatore supplementare. La quantità di calore recuperata sarà invece ridotta in ragione della diminuzione della capacità di raffreddamento ai carichi parziali.

Produzione dell’acqua calda ad una temperatura più elevata

Un chiller dotato di un sistema di recupero del calore preleva il calore dall’evaporatore (carico in raffreddamento) e lo cede nel condensatore che a sua volta lo smaltisce attraverso le torri di raffreddamento. Banale dirlo, ma senza raffreddamento non può esserci nessun recupero di calore. Maggiore è la temperatura dell’acqua nel circuito di riscaldamento, minore risultano l’efficienza del chiller e la sua capacità di raffreddamento, ricordando che oltre certi valori (della temperatura dell’acqua) è probabile innescare instabilità funzionali della macchina.

Di norma è possibile produrre acqua di riscaldamento attraverso il recupero di calore nei refrigeratori centrifughi ad una temperatura tra i 43 °C e i 48 °C, per operare oltre tali valori diventa necessario l’impiego di una fonte di calore ausiliaria.

Inoltre, il controllo del chiller dipende anche dal tipo di compressore utilizzato, nel caso di quelli volumetrici si può agire sulla temperatura dell’acqua di entrata (o uscita) al condensatore, viceversa i compressori centrifughi dovrebbero essere ottimizzati sulla temperatura dell’acqua in entrata al condensatore

Temperatura dell’acqua di riscaldamento e controllo

È sempre consigliabile operare con una bassa temperatura dell’acqua nel circuito di riscaldamento, ovviamente se il processo lo consente. In generale, il consumo di energia aumenta tra il 7 e il 14 per cento per ogni aumento di 5 °C della temperatura dell’acqua di riscaldamento rispetto a quella fissata da progetto.

Nella maggior parte dei casi per mantenere un valore prefissato della temperatura di ritorno dell’acqua di riscaldamento deve essere previsto un sistema di controllo della temperatura dell’acqua di riscaldamento. Consentendo una variazione della temperatura dell’acqua di riscaldamento in entrata allo scambiatore/condensatore, la temperatura media dell’acqua nel circuito si riduce quando diminuisce il carico nel refrigeratore e dunque meno calore viene smaltito dal condensatore.

Questo significa che se la temperatura dell’acqua diminuisce, di conseguenza diminuiscono la temperatura di condensazione del refrigerante e il differenziale di pressione con cui lavora il compressore ai carichi parziali. Questo aumenta il range di non funzionalità del compressore.

Viceversa, se è necessario garantire una temperatura dell’acqua di riscaldamento di alimentazione alle utenze costante lasciando che sia la temperatura dell’acqua di riscaldamento di ritorno al condensatore a variare, la temperatura media dell’acqua di riscaldamento aumenta quando diminuisce il carico di raffreddamento del chiller e risulta minore il calore smaltito dal condensatore.

Quando poi il compressore non lavora (scarico), la differenza di pressione che si deve conseguire al fine di evitare il fenomeno del “pompaggio” rimane essenzialmente la stessa, mentre la capacità del compressore diminuisce. Pertanto, la capacità dell’unità in situazione di scarico, senza l’uso di bypass del gas caldo, viene ridotta.

CONCLUSIONE

Sono sempre più numerose le strutture e le attività che richiedono una produzione simultanea di raffreddamento e riscaldamento, magari in modo indipendente anche dalle escursioni stagionali.

Vi sono applicazioni e ambienti inoltre dove risulta necessario garantire in continuità grandi quantità di acqua calda sanitaria.

Se si sta progettando l’utilizzo di un’unità di refrigerazione per produrre dell’acqua di raffreddamento vale di norma prendere in considerazione l’eventualità di consentire un possibile utilizzo della macchina anche per la produzione di acqua calda ai fini del riscaldamento e/o sanitario. In questi casi la scelta non può che ricadere su un’unità refrigerante con recupero di calore, che in sostituzione alla produzione distinta e separata dei servizi termici richiesti, e al di là del maggior costo inziale di acquisto, risulta la soluzione “unica” per ottenere in esercizio un consistente risparmio energetico e cosi, dei consumi.

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LE MACCHINE POLIVALENTI

Una variante “compatta” dell’unità chiller con recupero di calore è il gruppo termofrigorifero polivalente, macchina questa in grado di produrre in modo simultaneo con il solo utilizzo dell’energia elettrica acqua refrigerata e acqua calda.

Macchina termofrigorifera polivalente in pompa di calore raffreddata ad aria. Da un unico monoblocco si ottiene la produzione combinata e simultanea di energia termica e frigorifera (Mitsubishi Electric)

Le macchine polivalenti sono in genere chiller dotati di più circuiti frigoriferi, ciascuno dei quali può lavorare indipendentemente dall’altro.

La tecnologia realizzativa di queste macchine discende direttamente dai gruppi di refrigeratori ad aria o acqua, da cui ogni costruttore ha poi sviluppato una propria architettura costruttiva e funzionale.

A seconda dell’impianto di utenza servito, e con logiche di gestione differenti, si distinguono in:

  • Macchine polivalenti per impianti a 2 tubi, in grado di erogare potenza termica o frigorifera a un impianto a due tubi, e contemporaneamente quando richiesto energia termica ad un circuito idronico intermedio asservito alla preparazione di acqua calda sanitaria (del tipo con scambiatore intermedio e boiler a valle, o con accumulo di acqua tecnica e scambiatore istantaneo a valle).
  • Macchine polivalenti per impianti a 4 tubi, in grado di erogare contemporaneamente energia termica e frigorifera sui due circuiti dell’impianto e con qualunque grado di parzializzazione da essi richiesto.

Il gruppo termofrigorifero polivalente in pompa di calore con recupero totale trova in ogni modo la reale opportunità e valorizzazione per gli impianti a 4 tubi, impianti questi che sono in grado di soddisfare tutto l’anno la richiesta al variare della domanda e di trattare anche carichi termici di segno opposto, che possono richiedere di essere soddisfatti in maniera contemporanea ed indipendente, oltre a una produzione centralizzata di acqua calda sanitaria.

Nelle macchine polivalenti anche i compressori utilizzati spaziano dalle soluzioni alternativo o scroll, ai compressori a vite o centrifughi per le potenze maggiori. I refrigeranti utilizzati, vista anche la continua evoluzione non solo normativa, variano anch’essi dal R-410A all’R-134a per le potenze maggiori, con in alternativa le soluzioni a basso impatto ambientale (GWP) come l’R-513A e l’R-1234ze. La capacità frigorifera delle macchine polivalenti si estende da poco più di 5 kWf fino a oltre 2.000 kWf.

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