Gruppi frigoriferi

Tipo di ciclo

I gruppi frigoriferi si differenziano in primo luogo in base al tipo di ciclo frigorifero adattato, che può essere del tipo a compressione meccanica con azionamento elettrico oppure ad assorbimento con azionamento termico. I gruppi a compressione si distinguono a loro volta in base al tipo di compressore utilizzato, scroll, a vite oppure centrifugo.

Potenza frigorifera

Varie sono le tipologie di chiller, essenzialmente in funzione della fascia di potenza frigorifera.
È possibile definire tre categorie principali per i gruppi a compressione meccanica: piccola potenza (da 10 a 200 kW), media potenza (da 200 a 2000 kW) e grande potenza (oltre 2000 kW).

Compressori "Scroll"

Per impianti di piccola potenza (fino a 200 kW) vengono utilizzati gruppi con compressori scroll. Il termine inglese scroll significa spirale ed è stato adottato per definire una tipologia di compressori rotativi che effettua la compressione del gas mediante due spirali uguali e concentriche sistemate l’una dentro l’altra in modo da essere a contatto fra loro in diversi punti e formate durante il moto una serie di sacche fra i due elementi.

Funzionamento

Il profilo delle due spirali è ad evolvente: durante la compressione la spirale mobile, mossa dall’albero a gomito, orbita senza attrito attorno alla spirale fissa; le sacche tra le due spirali vengono spinte verso il centro delle due spirali e nel contempo il loro volume si riduce. Quando la sacca raggiunge il centro della spirale, il fluido, costretto in un piccolo volume, ha acquistato la pressione necessaria per essere scaricato attraverso la luce centrale.

Vantaggi del compressore scroll

Diversi sono i vantaggi di questo tipo di compressori che hanno soppiantato i compressori alterativi a pistoni:

- assenza di valvole di aspirazione e mandata con annullamento delle perdite di carico;

- eliminazione del rumore dovuto allo sbattimento delle valvole stesse sulle rispettive piastre e, perciò, funzionamento più silenzioso;

-  assenza dello spazio nocivo, pertanto rendimento volumetrico del compressore prossimo al 100%;

- ridotto numero di parti mobili, con la conseguenza di minori probabilità di guasti;

-  ingombro e peso notevolmente inferiori rispetto a compressori alternativi di pari potenzialità;

-  buona capacità di tollerare l’aspirazione di refrigerante allo stato liquido, senza necessità di uso né di accumulatore sull’aspirazione né della resistenza del carter,

-  possibilità di regolazione continua della potenza frigorifera erogata dal compressore mediante un inverter che controlla la velocità di rotazione del motore elettrico.

Il numero di circuiti frigoriferi di un chiller dipende dalla sua taglia e dal tipo di compressore. Varie sono le soluzioni disponibili:

• Singolo circuito frigorifero con un compressore;
• Circuiti frigoriferi multipli;
• Singolo circuito frigorifero con più compressori.

Compressori centrifughi

Per potenze superiori a 2000 kW si adottano gruppi con compressori centrifughi, cosiddetti in quanto effettuano la compressione del gas utilizzando la forza centrifuga impressa da un girante.

Funzionamento

Il gas entra nella parte centrale di questa e viene convogliato verso la corona esterna delle pale inclinate in essa ricavate. Durante questo percorso il gas viene sottoposto ad una forza centrifuga crescente che ne aumenta l’energia cinetica e che viene convertita in pressione statica.

Potenze

La velocità periferica della girante dipende dalle caratteristiche del refrigerante, in particolare il volume specifico, e dalle condizioni di lavoro previste. La potenza frigorifera dei gruppi centrifughi è in genere compresa tra i 1000 e i 7000 kW nella versione con condensatore ad acqua. I valori di EER possono arrivare fino a 7 a pieno carico.

Oltre al tipo di compressore i gruppi frigoriferi a compressione meccanica si differenziano anche in base al tipo di scambiatori (evaporatori e condensatori). Gli evaporatori e i condensatori ad acqua sono sempre del tipo di espansione diretta, del tipo a piastre in acciaio inox saldobrasate nei gruppi con potenze frigorifere fino a 400 kW per singolo circuito e a fascio tubiero per potenze superiori.

Accessori standard

Tra i principali accessori forniti come standard vi sono resistenza elettrica antigelo evaporatore, resistenza carter compressore, pannello comandi a distanza, filtro acqua, flussostato, trasduttori alta e bassa pressione (modelli a pompa di calore).

Accessori opzionali

L’accessorio opzionale più comune (ormai come componente standard in molti modelli) è costituito al modulo idronico, costituito da una o due pompe di circolazione, serbatoio di accumulo e vaso d’espansione.

Oltre che alla versione monoblocco, i gruppi possono essere realizzati nelle seguenti varianti costruttive:

• Unità motoevaporante
• Unità motocondensante

Ci occuperemo di queste varianti in un futuro articolo dedicato.

Raffreddamento ad aria e rumorosità

Particolare attenzione va prestata al rumore generato dai gruppi raffreddati ad aria. L’impatto acustico dei gruppi frigoriferi verso l’ambiente esterno rappresenta infatti spesso un fattore critico, in particolare per quanto riguarda i gruppi installati in prossimità di altri edifici.

Versioni silenziate

Per applicazioni in centri abitati è consigliato l’impiego di versioni a ridotto livello sonoro, dotate di ventilatori a basso numero di giri o a velocità variabile e di coibentazione acustica del vano compressori. Nel caso in cui la versione ultra silenziata non sia ancora sufficiente a garantire i livelli sonori richiesti, può diventare necessario ricorrere all’impiego di griglie acustiche oppure di vere e proprie cabine fonoassorbenti.

Sono gruppi ad energia termica

I gruppi frigoriferi ad assorbimento, detti anche assorbitori, producono acqua refrigerata mediante alimentazione con energia termica, sotto forma di acqua calda, acqua surriscaldata, vapore oppure gas.

Costi e vantaggi

I gruppi ad assorbimento, a fronte di costi iniziali sensibilmente più elevati rispetto alle macchine con compressori elettrici, presentano una serie di vantaggi:

• Limitato impatto ambientale, grazie all’impiego di fluidi refrigeranti non nocivi;
• Riduzione dei consumi e dei costi energetici in caso di utilizzo di acqua calda di recupero (ad esempio da impianti di cogenerazione);
• Ridotti consumi di energia elettrica, impiegata esclusivamente per il funzionamento delle apparecchiature di circolazione dei fluidi di lavoro;
• Elevata affidabilità e ridotta manutenzione, grazie al limitato numero di parti meccaniche in movimento, silenziosità e assenza di vibrazioni.

Tipi di fluidi

Le tipologie di assorbitori utilizzati negli impianti di climatizzazione si differenziano in base al tipo di fluido utilizzato, che può essere una soluzione di bromuro di litio (assorbente) ed acqua (refrigerante) oppure la coppia acqua ammoniaca, nel quale l’acqua funge da assorbente e l’ammoniaca (con percentuale del 30%) da refrigerante.

Non solo freddo

I gruppi frigoriferi vengono sempre di più utilizzati anche per la produzione di acqua calda per il riscaldamento invernale (versioni a pompa di calore), per il riscaldamento estivo e per la produzione di acqua sanitaria (versione a recupero di calore). Il funzionamento in pompa di calore avviene mediante inversione del ciclo frigorifero. In tal caso evaporatore e condensatore si scambiano il proprio ruolo: l’evaporatore diventa infatti il condensatore e produce acqua calda fino a 50 °C. La sorgente di calore può essere acqua oppure aria.

Componenti necessari per fare caldo

Nella versione a recupero di calore due sono le opzioni disponibili:

• Con desurriscaldatori per il recupero parziale fino ad un massimo del 30% del calore totale di condensazione, con produzione di acqua calda fino a 70 °C;
• Con recuperatori del calore di condensazione, parziale oppure totale, con produzione di acqua calda fino a 50 °C;

Alternative

Oltre ai refrigeratori a pompa di calore di tipo tradizionale, sono disponibili le seguenti versioni;

• Pompe di calore geometriche;
• Gruppi polivalenti;
• Pompe di calore con motore endotermico a gas.

Che cosa sono?

Con questa definizione vengono classificati i gruppi frigoriferi a pompa di calore alimentati elettricamente che sfruttano la temperatura costante della terra o dell’acqua di pozzo o di superficie, come sorgente o pozzo di calore per la produzione di acqua calda o refrigerata.

Tipologie

Distinguiamo tre tipi:

• Con circuito interrato (ground-coupled)
• Ad acqua di pozzo (groundwater)
• Ad acqua di superficie (surface water)

Tubi verticali o serpentina orizzontale?

A seconda dello spazio disponibile le turbazioni interrate possono essere installate in senso orizzontale oppure verticale. Tale anello è collegato allo scambiatore ad acqua del gruppo frigorifero a pompa di calore. Durante la stagione fredda il sistema estrae dal terreno il calore necessario al riscaldamento dell’ambiente, mentre durante la stagione calda viene ceduto al terreno il calore assorbito dall’ambiente.

Acqua calda e fredda simultaneamente

I gruppi frigoriferi polivalenti sono particolari pompe di calore con condensazione ad aria e a recupero totale, caratterizzate dal fatto di avere due circuiti d’acqua distinti tra loro: il circuito principale collegato all’evaporatore per la produzione di acqua refrigerata, e un circuito secondario collegato ad uno scambiatore specificatamente progettato per la produzione di acqua calda mediante il recupero totale del calore di condensazione, che consentono la produzione simultanea di acqua fredda e di acqua calda ed in modo del tutto indipendente, adattandosi alle diverse richieste di carico termico di un edificio.

Funzionamento estivo

Un gruppo polivalente può avere due distinte modalità di funzionamento, una per il regime estivo e una per quello invernale. In estate l’impianto di climatizzazione richiede alla macchina acqua refrigerata; questa può funzionare come semplice chiller per la produzione dell’acqua fredda ma può anche, in contemporanea, produrre acqua calda. In questo caso la produzione di acqua calda è del tutto gratuita.

Funzionamento invernale

Durante il periodo invernale l’unità si comporta esattamente come una pompa di calore tradizionale aria-acqua. L’installazione richiede semplicemente il collegamento dei circuiti dell’acqua refrigerata e dell’acqua calda ai relativi scambiatori di calore senza bisogno di organi di inversione idraulica. La gamma dei modelli, disponibili in vari allestimenti, si estende da 100 a 690 kW di potenza frigorifera.

Gas e cogenerazione

Nei gruppi frigoriferi a pompa di calore con motore endotermico a gas, questi genera all’asse la potenza meccanica destinata al compressore frigorifero e, in assetto cogenerativo, produce anche acqua calda. Questa soluzione presenta bilanci energetici particolarmente favorevoli, in quanto elimina una lunga catena di processi irreversibili ed inoltre sfrutta i benefici della cogenerazione. I gruppi sono disponibili con potenza da 14 a 70 kW con 2 o 4 compressori e sono dotati di un sistema di recupero del calore prodotto dal motore che viene trasferito al fluido frigorigeno.

Rendimenti dei gruppi endotermici

Il valore EER di questi sistemi può raggiungere valori nettamente superiori all’unità, fino a sfiorare valori prossimi a 2 per impianti di grande taglia. La peculiarità di queste macchine consiste nel fatto che possono essere utilizzate sia per impianti idronici ad acqua sia come unità esterne di impianti VRF ad espansione diretta. È anche possibile produrre acqua calda sanitaria mediante uno scambiatore acqua/acqua che sfrutta l’acqua calda del motore prima che essa raggiunga il radiatore di dissipazione.

Per utenze con cariche di raffreddamento non solamente estivi ma anche invernali e medio-stagionali il free-cooling costituisce un efficace metodo di risparmio energetico. È questo il caso non solo di CED e centrali telefoniche, ma anche di uffici, centri commerciali o locali di spettacolo, con carichi endogeni dovuti all’affollamento. Il free-cooling si basa sull’utilizzo delle basse temperature dell’aria esterna non solo per il raffreddamento gratuito dell’aria immessa direttamente in ambiente, ma anche dell’acqua refrigerata da inviare alle utenze, al fine di ridurre o eliminare l’impiego dei gruppi frigoriferi.

Gruppi specifici per bassa temperatura

Per gli impianti a bassa differenza di temperatura (pannelli radianti, travi fredde) alcuni costruttori hanno sviluppato gruppi frigoriferi già predisposti per produrre acqua refrigerata a due livelli diversi di temperatura, al fine di garantire la necessaria deumidificazione dell’aria e evitare la condensazione dell’umidità sulla superficie fredda. Infine vanno considerati gruppi frigoriferi modulari monoblocco raffreddati ad aria.

Caratteristiche e vantaggi

Si tratta di macchine dotate di compressori a ventilatori assiali, che possono essere utilizzati da soli oppure accoppiati tra loro in modo da coprire una gamma di potenze fino a 1200 kW. Il ridotto peso e le dimensioni contenute dei moduli facilitano il trasporto e l’installazione. Inoltre il sistema risulta flessibile in caso di esigenze di successivi incrementi della potenza installata. I moduli sono disponibili anche nella versione con raffreddamento ibrido che permette, in determinate condizioni, di incrementare la resa frigorifera.

Temperature ridotte

Questa soluzione permette di dimensionare il gruppo per una temperatura di progetto dell’aria esterna inferiore al valore massimo (ad esempio 30°C invece di 35°C) utilizzando il raffreddamento ad acqua nei periodi di punta. Il consumo d’acqua è di 7 l/h per ogni kWh frigorifero prodotto a 35°C , paragonabile a quello di una torre di raffreddamento.