Questo articolo esamina in dettaglio le varie fasi e considerazioni relative alla scelta del tipo di sistema di distribuzione dell'acqua refrigerata, tenendo presente che le raccomandazioni sono generalizzate e dovrebbero essere applicate alla maggior parte delle applicazioni tradizionali HVAC.
Schema Semplice con Singola Batteria
Quando si ha uno o più chiller che servono una sola batteria di raffreddamento, la strategia progettuale più semplice consiste nel non impiegare alcuna valvola di regolazione sulla batteria (Figura 1).
L'applicazione del VFD (Variable Frequency Drive) risulta raramente efficace dal punto di vista del costo dato che la potenza della pompa è, tipicamente, ridotta in un impianto a unica batteria ed il chiller e la batteria sono di solito accoppiati insieme fisicamente.
In realtà, ciò non é un problema poiché le condizioni di uscita dell’aria di mandata rimangono circa le stesse senza riguardo alla temperatura dell’acqua refrigerata.
Infatti, è il punto di taratura della temperatura dell’aria di mandata che determina le condizioni di umidità dell’ambiente e non quella dell’acqua refrigerata.
La Figura 1 mostra anche l’opzione di un serbatoio di accumulo. La ragione risiede nel fatto che gli impianti di acqua refrigerata devono avere un sufficiente volume di acqua nelle tubazioni, tale da evitare delle oscillazioni instabili di temperatura che possono causare dei continui arresti e riavviamenti.
Per poter compensare la presenza di ridotti volumi di acqua nelle tubazioni, é spesso utile applicare un piccolo serbatoio di accumulo.
Chiller Multipli: Serie vs. Parallelo
Se si impiegano due chiller, ciò risulta in una buona occasione per collegare i chiller in serie piuttosto che in parallelo. Infatti in tutte le figure i chiller multipli sono mostrati in parallelo.
Nella maggior parte delle applicazioni, i chiller potrebbero essere collegati alternativamente in serie, con il risultato di avere un minore consumo di energia, parzialmente controbilanciato da una maggiore consumo di energia della pompa.
Piccoli Impianti e Valvole
I piccoli impianti di acqua refrigerata hanno, di solito, un unico chiller del tipo con condensatore ad aria. Sono previste valvole a due vie sulla maggior parte delle batterie con la presenza anche di un numero minimo di valvole a tre vie per mantenere la portata minima di acqua richiesta per il chiller.
Nella Figura 2 è riportato anche un sistema di variazione della portata (VFD) sulla pompa di circolazione. L’eventuale applicazione del sensore vicino alla pompa richiede un elevato punto di taratura del DP ed elimina la maggior parte dei risparmi energetici ricavati dal VFD.
Se le valvole vengono applicate a grande distanza si viene ad avere una maggiore portata nei punti estremi dell’impianto con relativo aumento della pressione e della portata della pompa.
Graduazione dei Chiller e Valvole a Tre Vie
Quando in un impianto ci sono diversi chiller, la loro graduazione può costituire un problema se la portata di acqua refrigerata ed il carico non coincidono e la regolazione avviene con delle valvole a tre vie.
Quando l’impianto funziona vicino al 100% di carico, le sue prestazioni sono soddisfacenti dato che sia i chiller che le pompe sono in pieno funzionamento.
Supponiamo che l’impianto della Figura 3 abbia due chiller di uguali dimensioni e che siano collegati a due batterie anch’esse di uguali dimensioni, ciascuna delle quali serve un locale affollato.
Se si avesse un carico in ciascun locale che sia superiore al 50%, l’impianto offrirebbe un buon funzionamento ed entrambi i chiller, con le loro pompe, funzionerebbero correttamente e ciascun locale riceverebbe la portata di progetto.
Tuttavia, la batteria che serve il locale vuoto viene alimentato ancora con la piena portata che, però, viene bypassata alla sua uscita. Per evitare questo problema, entrambe le pompe devono restare in funzione con un carico inferiore al 50%.
Questo problema é una delle ragioni per cui i progettisti preferiscono adottare la regolazione della portata, come verrà discusso in seguito.
Per esempio, se le batterie si trovano al disotto del 50% di carico ed é in funzione un solo chiller con la sua pompa in modo che tutte le batterie sono in grado di soddisfare il loro carico.
Questo tipo di impianto costituisce una scelta ragionevole per piccole applicazioni con poche batterie che servono dei carichi simili. Esso é semplice e poco costoso ed evita tutte le complessità degli impianti a portata variabile.
Impianti con Circuito Primario Unico
L’applicazione della Tabella 1 è, probabilmente, quella più comune. Essa si applica agli impianti che servono molte piccole batterie (oppure poche batterie con carichi disuguali) e con più di un chiller.
Gli impianti con il solo circuito primario sono sempre i più economici e usano minore spazio rispetto a quelli con circuiti primario-secondario e con comando a velocità variabile.
Vantaggi:
- Riduzione della pressione statica dovuta all’eliminazione della serie extra di pompe con relative tubazioni e accessori (valvole di intercettazione, filtri, valvole di ritegno, ecc.).
- Le pompe sono più efficienti. Infatti, le pompe del circuito primario nell’impianto con circuiti primario-secondario risultano meno efficienti a causa della loro forte portata e basse pressione statica.
Come si può vedere nella Figura 4, é prevista una valvola di bypass per assicurarsi che vengano mantenute delle portate minime di acqua attraverso i chiller in funzione.
Questa valvola deve essere controllata automaticamente in base alla portata, impiegando a tale scopo un misuratore posto sul circuito primario oppure mediante dei sensori della pressione differenziale esistente nel chiller e collegata alla portata.
Il misuratore di portata è più costoso ma è più facilmente adattabile al calcolo del carico dell’impianto, che è necessario per effettuare una parzializzazione ottimale del chiller.
La scelta della valvola di controllo del bypass e la equilibratura del circuito di controllo risultano alle volte difficili a causa della forte variazione della pressione differenziale attraverso la valvola stessa, causata dal suo posizionamento vicino alle pompe.
Infatti, la valvola deve essere abbastanza grande da bypassare la portata minima di portata nel chiller con una perdita di carico ridotta al minimo equivalente al punto di taratura della pressione differenziale usata per controllare la VFD della pompa dell’acqua refrigerata.
Se, invece, il circuito di controllo é troppo lento, esso può non rispondere abbastanza rapidamente a delle variazioni improvvise della portata.
I sistemi di controllo più complessi possono essere soggetti a guasti per cui, ad un certo punto del loro ciclo di vita, ci si può aspettare un guasto anche nel controllo del bypass.
L’avviamento di un altro chiller non crea un aumento della portata richiesta per cui la portata tende a suddividersi fra le macchine già in funzione.
Se ciò avviene in modo improvviso, la riduzione della portata provoca la pendolazione dei chiller già in funzione.
Per effettuare la graduazione (o parzializzazione) dei chiller senza creare una fermata, i chiller attivi devono essere prima di tutto scaricati temporaneamente (con un limite di richiesta oppure aumento del punto di taratura), dopodiché la portata attraverso il nuovo chiller deve essere fatta aumentare lentamente mediante una lenta apertura della sua valvola di intercettazione.
Impianti con Molti Chiller e Pompe di Distribuzione
Impianti con molti chiller (più di tre) e con carichi di base molto elevati, come si può trovare in una applicazione industriale o di un data-center.
- Le pompe secondarie della centrale frigorifera sono eliminate e vengono aggiunte delle pompe a velocità variabile che servono ciascun edificio.
- La potenza complessiva delle pompe viene diminuita. Con il sistema tradizionale, la pressione delle pompe secondarie in centrale deve essere prevista per servire l’edificio più distante (30 m c.a. o 300 kPa), mentre le pompe secondarie di distribuzione in ogni edificio vicino alla centrale possono funzionare con pressioni molto più basse (15 m c.a.
- L’impianto è auto-equilibrato per la presenza dei controlli di velocità sulle pompe secondarie.
- Viene eliminata la sovrapressurizzazione delle valvole di controllo posizionate vicino alla centrale.
- L’energia della pompa viene ridotta poiché si è in presenza di pompe fabbricate appositamente per la pressione richiesta e si ha un controllo più preciso con il comando a velocità variabile.
In un impianto tradizionale a circuiti primario-secondario, le pompe secondarie in centrale sono controllate solitamente in modo da mantenere la pressione differenziale all’entrata dell’edificio più distante.
Di conseguenza, il punto di taratura deve essere maggiore di quello che si ha nel sistema con pompe di distribuzione, che viene controllato dalla pressione differenziale esistente nel terminale più lontano in ciascun edificio.
Negli impianti con circuiti primario-secondario-terziario le pompe del terziario sono collegate, in genere, con un ponte e con una valvola di regolazione a due vie. Il controllo del ponte è sempre difficile e, se eseguito in modo errato, provoca spesso un degrado del ΔT.
La necessità di aumentare la pressurizzazione del serbatoio di espansione, in modo da mantenere una pressione di aspirazione positiva nelle pompe degli edifici, se le stesse sono posizionate in cima agli edifici del campus.
Pompe di Distribuzione Secondaria con VFD
Se si hanno impianti che sono muniti di singole grandi centrali di trattamento d’aria, l’impiego di pompe di distribuzione secondaria con comando a velocità variabile costituisce, di solito, la soluzione migliore (Figura 7).
Ciò è dovuto in parte al fatto di avere fissata già in fabbrica la pressione prevista per ogni pompa ma anche perché è stata eliminata la valvola di regolazione. Il sistema è auto-equilibrante.
L’energia delle pompe è notevolmente inferiore con questo sistema e ciò è dovuto soprattutto al fatto che si ha una ridotta pressione della pompa ma anche perché non c’è alcuna necessità di mantenere un valore minimo della pressione differenziale nell’impianto come invece si ha con le pompe secondarie tradizionali.
A causa di questo valore minimo di DP e della strozzatura provocata dalle valvole di regolazione parzialmente chiuse, le pompe secondarie tradizionali non sono in grado di seguire la curva teoricamente parabolica del sistema.
Di conseguenza, l’efficienza delle pompe diventa, in genere, più ridotta, in particolar modo con bassi carichi.
Grazie all’eliminazione delle valvole di regolazione e alla minore energia delle pompe, questo sistema può offrire anche dei costi inferiori rispetto al sistema a circuiti primario-secondario-terziario ma è, di solito, più costoso di quello a circuito primario unico.
Le valvole di regolazione possono essere considerate come dei freni di una vettura, con le pompe agenti come motori; dal punto di vista energetico, non risulta ragionevole dover premere sia i freni che i pedali dell’acceleratore nello stesso tempo, ma ciò è effettivamente quello che avviene con le valvole di regolazione.
Sfortunatamente, esistono anche alcuni svantaggi in questo sistema, di cui bisogna tener conto. In primo luogo, tutte le batterie (terminali) devono essere munite di una pompa. Se una batteria viene ad essere collegata al circuito secondario senza la pompa, la portata di acqua che deve attraversarla viene ad essere in senso contrario e cioè dal ritorno alla mandata.
Nel caso di un edificio che abbia una varietà di piccole e grandi batterie, le pompe adibite a quelle piccole vengono ad essere probabilmente di tipo costoso a multistadio.
Un altro svantaggio è costituito dalla maggiore esposizione a dei guasti del macchinario. Infatti, una valvola di regolazione è estremamente affidabile, mentre sia la pompa che il controllo VFD sono più propensi ad avere dei guasti.
Le pompe di tipo duplex potrebbero essere impiegate per migliorare la condizione di riserva ma il loro costo è proibitivo nella maggior parte dei casi. La giusta filosofia consiste nel fornire lo stesso livello di riserva come per il resto dell’impianto.
Nel caso di applicazioni più pratiche si può considerare l’installazione di pompe di riserva oppure adottare un sistema di distribuzione alternativo.
Per esempio, una pompa tipica con pressione di 180 kPa avrà una efficienza di circa il 30% con una portata di 1,3 L/s, del 50% con 3,2 L/s, del 60% con 10,3 L/s e del 70% con 12,6 L/s.
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