Sistemi Climatizzazione: le caratteristiche di un prodotto competitivo.
Le sfide ingegneristiche in ambito climatizzazione industriale sono particolarmente legate agli sviluppi tecnologici necessari per rispettare le nuove normative ambientali.
Di recente, infatti, la Commissione Europea ha espresso la necessità di effettuare una campagna di rinnovamento al fine di rendere più ecologico il patrimonio edilizio, che risulta essere responsabile del 40% dell’intero consumo energetico e del 36% delle emissioni di gas a effetto serra. Inoltre, il regolamento F-Gas e i protocolli internazionali quali l’emendamento di Kigali al Protocollo di Montreal rendono necessaria l’identificazione di una soluzione globale a lungo termine e sostenibile in termini di emissioni dirette e indirette.
Per questo , oggi più che mai, i player aziendali si concentrano sull’efficienza energetica e sui fluidi refrigeranti, a causa delle crescenti preoccupazioni riguardo i loro effetti negativi sull’ecosistema.
Fluidi Refrigeranti
I fluidi refrigeranti scelti per le unità di condizionamento oltre a non essere ozono-distruttori devono limitare l’effetto serra. Ricercatori e industria si dirigono quindi verso fluidi refrigeranti con bassi Global Warming Potential (GWP) e Ozone Depletion Potential (ODP).
Negli scorsi anni aziende impiegate nel settore food retail hanno cominciato a sviluppare sistemi basati su ciclo frigorifero a compressione di vapore che utilizzano fluidi naturali quali CO2 (R-744) ed NH3 (R-717).
Nei climi miti, le unità funzionanti a CO2 stanno rapidamente conquistando il settore commerciale: nel 2016, l’R-744 veniva utilizzato in quasi 11.000 sistemi differenti, 8700 dei quali erano situati in Europa.
Quattro anni dopo, nel 2020, il numero totale di unità funzionanti a CO2 arrivava a 35.500. Un classico esempio di applicazioni a CO2 può essere identificato nelle unità frigorifere per banchi a media e a bassa temperatura presenti nei supermercati.
Molto spesso poi, il sistema di raffreddamento dei banchi frigo che assicura il mantenimento della merce alla corretta temperatura, è parte di un’unica unità integrata che soddisfa allo stesso tempo anche la richiesta frigorifera e di riscaldamento dell’edificio.
Allo stesso modo, unità integrate che soddisfano richiesta di riscaldamento, raffreddamento e produzione di acqua calda sanitaria e che si basano sulla medesima tecnologia possono essere trovate anche in edifici residenziali ed in Hotel.
L’ammoniaca (NH3) invece, è un refrigerante che viene tipicamente utilizzato in impianti industriali di grandi dimensioni, nei quali è possibile sfruttare appieno i suoi vantaggi senza pregiudicare la sicurezza.
Questo è dovuto al fatto che l’R-717 presenta problemi di compatibilità con tubazioni in rame, nonché problemi di elevata tossicità ed infiammabilità, motivo per cui al momento non viene utilizzato in applicazioni commerciali.
Layout e Scelta dei Componenti
Al fine di ottimizzare l’efficienza energetica del sistema, la scelta del fluido refrigerante deve essere associata alla corretta progettazione del layout della macchina, andando a scegliere i componenti più adatti per l’applicazione scelta.
Per questo motivo, negli ultimi decenni sono stati studiati diversi layout al fine d’incrementare il Coefficient Of Performance (COP) dell’impianto stesso andando a diminuire la potenza elettrica assorbita per la compressione del refrigerante a parità di effetto frigorifero fornito.
Negli impianti a CO2, le soluzioni principali consistono nell’utilizzo di configurazioni con compressione in parallelo, utilizzo di evaporatori sovra alimentati, cosiddetti allagati, in cui il refrigerante esce dallo scambiatore ancora come miscela liquido-vapore e utilizzo di eiettori bifase, che vanno a recuperare potenza spesa per la compressione incrementando conseguentemente l’efficienza dell’impianto.
In modo simile, l’R-717 viene tipicamente utilizzata per impianti a bassa temperatura, per applicazioni che tipicamente vanno da +5 a -40 °C. In questo caso, l’impianto andrà a sfruttare il refrigerante allo stato liquido che verrà pompato all’interno dello scambiatore atto a fornire l’effetto frigorifero desiderato.
Questo perché, l’ammoniaca allo stato liquido necessità di una elevata energia per vaporizzare: il calore necessario viene assorbito dal fluido secondario (aria o acqua) andandolo a raffreddare e ottenendo dunque l’effetto desiderato. Inoltre, l’NH3 ha migliori proprietà di scambio termico rispetto a molti altri refrigeranti sintetici, permettendo di dimensionare l’impianto con un minore area di scambio necessaria e necessità anche di tubazioni di diametro inferiore.
Infine, la scelta del lay-out più pertinente per l’applicazione desiderata deve essere accoppiata all’implementazione di un sistema di controllo adeguato, come l’implementazione di un controllo del compressore che permette di evitare inutili dispendi energetici una volta raggiunto il set-point desiderato.
Sistemi smart, interconnettività e uno scambio d’informazioni in tempo reale stanno rapidamente diventando lo standard dei moderni edifici intelligenti. In questa maniera, è possibile accoppiare nel modo più efficiente possibile impianto di condizionamento con edificio e assicurare il comfort termico al suo interno nella maniera più rapida ed efficiente possibile, minimizzando così il consumo energetico e le emissioni.
L’aiuto che può dare la simulazione
In questo contesto, le tecnologie di simulazione e progettazione ingegneristica ricoprono un ruolo fondamentale, poiché rappresentano un mezzo concreto e immediato per studiare e validare possibili soluzioni senza la necessità di effettuare prove sperimentali.
Con il software di simulazione ingegneristica predittiva a parametri concentrati (0D/1D), come Simcenter Amesim (Siemens PLM), gli ingegneri possono testare o valutare, seppur virtualmente:
- La performance dell’impianto considerando l’utilizzo di un nuovo refrigerante e identificarne la carica ottimale all’interno del circuito
- Il lay-out ottimale che massimizza l’efficienza dell’impianto alle condizioni stabilite o tramite il calcolo degli indici di efficienza stagionale: SEER, SCOP
- simulare dinamicamente le prestazioni dinamiche del sistema clima durante un ciclo di lavoro e via discorrendo.
- Effettuare una simulazione dinamica dell’impianto
Sfruttare strumenti di simulazione costituisce un enorme vantaggio sia per i dipendenti che per l’azienda. Scopri i vantaggi che offre la simulazione 0D/1D, qui
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