UNITA’ DI ACCUMULO DI GHIACCIO ICE CHILLER BALTIMORE AIRCOOL:guida aplicativa
PROFILO DI CARICO
Un profilo di carico giornaliero e’ la rappresentazione ora per ora dei carichi termici nell arco delle 24 ore. Nella maggior parte delle applicazioni di climatizzazione si utilizza il profilo di carico giornaliero per determinare l’ ammontare dell'accumulo richiesto. Alcuni sistemi utilizzano invece un profilo di carico settimanale. Per i sistemi di climatizzazione tradizionali, i gruppi frigoriferi (chiller) sono selezionati in base alla punta massima di carico termico. Per i sistemi ad accumulo termico, i chiller sono selezionati in base al totale di kWh di raffreddamento richiesti nella giornata e a una predefinita strategia digestione. I sistemi ad accumulo termico forniscono molta flessibilità per diverse strategie di funzionamento, purché non venga superato il consumo di kWh totali di progetto. Ecco perché quando si progetta un sistema ad accumulo di ghiaccio bisogna prima determinare in modo accurato il profilo di carico.I profili di carico possono assumere diverse forme, in base alle applicazioni. La Figura 1 illustra un tipico profilo di carico per la climatizzazione di un fabbricato ad uso ufficio, con un carico termico massimo di 1750 kW e una richiesta estesa su 12 ore. La forma di questa curva è rappresentativa della maggior pane delle applicazioni di climatizzazione civile. Per la selezione preliminare dell'apparecchiatura necessaria, il programma computerizzato di selezione dell'Unità di Accumulo Termico ICE CHlLLER della BAC può riprodurre un profilo di carico simile. Le sole informazioni necessarie al programma sono l'arco di tempo della richiesta di carico termico ed il valore stimato della sua punta massima.
STRATEGIE DI FUNZIONAMENTO
Una volta che il profilo di carico è stato determinato, il passo successivo nella selezione dell'apparecchiatura di accumulo termico e quella di definire una strategia di funzionamento o in altre parole, determinare le ore del giorno durante le quali far funzionare il chiller a glicole e in quali no.La strategia da usare dipende dal profilo di carico (applicazione), dalla struttura tariffaria dell'energia elettrica e dai costi di acquisto delle apparecchiature. In altre parole, occorre calcolare il bilancio economico tra costi di installazione del sistema e costi digestione (periodo di pay-back).Ci sono due diverse strategie di funzionamento: ad accumulo totale o ad accumulo parziale.
I sistemi ad accumulo totale immagazzinano tuffa la richiesta capacità di carico termico al di fuori dei periodi di punta di richiesta elettrica ed eliminano così il bisogno di far funzionare il chiller nei periodi di maggior costo dell'energia elettrica. Questa strategia, spostando tutta la domanda elettrica, comporta i più bassi costi di esercizio. Tuttavia, il costo di acquisto delle apparecchiature risulta sensibilmente più alto rispetto ai sistemi ad accumulo parziale a causa delle maggiori dimensioni del chiller e dell'accumulatore termico e per questi motivi il sistema ad accumulo totale è utilizzato raramente.
I sistemi ad accumulo parziale richiedono che il chiller funzioni anche nei periodi di punta di richiesta elettrica. Il sistema ad accumulo parziale, permettendo al chiller a glicole di funzionare a pieno regime per 24 ore al giorno a piena potenza, é quello più utilizzato in quanto comporta la selezione del chiller di minor taglia. In molti casi la minor taglia del chiller él'elemento decisivo che fa optare per un sistema ad accumulo, grazie a: minor impegno di potenza elettrica, minor carica di refrigerante, minor taglia di torre evaporativa o altro apparecchio di smaltimento calore (e minor rumore), minor taglia dell'eventuale chiller di scorta, ridotte spese di investimento e manutenzione...
Altre strategie di accumulo parziale prevedono la fermata del chiller per alcune ore al giorno, quando i costi dell'elettricità sono alti e/o quando sono alti i consumi elettrici per usi non di erogazione (e per il funzionamento del chiller occorrerebbe aumentare la potenza elettrica impegnata). E' tuttavia importante ricordare che più sono le ore in cui il chiller rimane spento durante il giorno, tanto maggiore deve essere la taglia del chiller stesso e cosi’ pure la grandezza dell'accumulatore termico. Nel caso si volesse tener fermo il chiller durante parte del periodo di assenza di carico dall'utenza, la riduzione del tempo a disposizione per la formazione del ghiaccio comporterà temperature del glicole minori e il COP del chiller risulterà minore.Oltre a determinare quando il chiller deve funzionare o restare spentoun altro aspetto della strategia di funzionamento è decidere se, per soddisfare il carico termico dell'utenza, la priorita’va data al chiller o allo scioglimento del ghiaccio.
In un sistema a priorità di chiller il chiller funziona sempre a pieno regime. Quando il carico termico richiesto è superiore rispetto alla potenza del chiller, l'eccesso è coperto dallo scioglimento del ghiaccio. Quindi una parte costante del carico e’ coperta dal chiller, mentre le variazioni di carico sono coperte dal ghiaccio.
In un sistema a priorità di accumulatore, una parte costante del carico è coperta dallo scioglimento del ghiaccio, mentre le variazioni di carico sono coperte dal chiller. Siccome in tal caso il chiller non potrà sempre funzionare alla sua massima potenza, esso risulterà di taglia maggiore rispetto a un sistema a prioritaà di chiller. I sistemi a priorità di accumulatore comportano chiller e accumulatore di maggior taglia rispetto al caso inverso e sono perciò usati raramente.
La prassi più comune è quindi quella di sistemi ad accumulo parziale che utilizzano il sistema a priorità di chiller, con funzionamento dello stesso sulle 24 ore.
modi di funzionamento
L'Unità di Accumulo Termico modulare ICE CHILLER® può operare in cinque distinti modi di funzionamento. Questi modi di funzionamento forniscono tutta la flessibilità necessaria ai gestori di impianti di climatizzazione per far fronte al carico termico giornaliero degli edifici.
FORMAZIONE DEL GHIACCIO. In questo modo di funzionamento, il ghiaccio viene formato facendo circolare una soluzione al 25% (in peso) di glicole etilenico a temperature negative attraverso i serpentini contenuti nell'Unità di Accumulo Termico ICE CHILLER®. Durante questa fase, le condizionI di funzionamento del chiller sono monitorate ed il gruppo stesso può essere fatto spegnere automaticamente quando il glicole da esso fornito raggiunge la temperatura minima scelta. In opzione, per controllare il funzionamento del chiller, è possibile avere il dispositivo ICE LOGIC per il controllo della quantità di ghiaccio. In Figura 2 sono rappresentati gli andamenti tipici della temperatura del glicole fornito da un chiller per cicli di formazione di 8,10 e 12 ore. Per un ciclo di formazione tipico di 10 ore, la temperatura della soluzione non è mai inferiore a 5,50C. Come si vede dal grafico, per cicli di formazione superiori a 10 ore la temperatura minima del glicole é sempre superiore a -5,5°
C, mentre per cicli di durata inferiore la temperatura scende anche sotto a detto valore. Tali prestazioni sono basate su una portata associata ad un salto tennico nel chiller di 3°
C. Qualora il chiller fosse selezionato per salti termici superiori, gli andamenti delle temperature saranno inferiori rispetto a quelli indicati in Figura 2.
FORMAZIONE DI GHIACCIO CON RAFFREDDAMENTO. Quando vi sono carichi termici durante il periodo di accumulo del ghiaccio, parte della portata di glicole deve essere deviata verso l'utenza, e la quantità deviata sarà determinata dalla temperatura impostata per il circuito dell'acqua refrigerata (quello a valle dello scambiatore glicole/acqua). In tal caso la BAC raccomanda di utilizzare per il circuito del glicole uno schema a due pompe (vedi Figura 4) al fine di ridurre il rischio di danneggiare lo scambiatore per il possibile afflusso di glicole troppo freddo, inferiore a 00C.
RAFFREDDAMENTO - SOLO CON GHIACCIO. In questo modo di funzionamento il chiller è inattivo. Il glicole caldo di ritorno viene raffreddato sino al voluto valore di temperatura mediante lo scioglimento del ghiaccio accumulato nell'Unità di Accumulo Termico modulare ICE CHILLER®.
RAFFREDDAMENTO - SOLO CHILLER. In questo modo di funzionamento è il chiller a fornire tutto il raffreddamento esto dal carico termico dell'edificio. lì glicole viene fatto ire direttamente allo scambiatore con l'acqua refrigerata, irando l'accumulatore termico. La temperatura di alimentazione impostata viene perciò mantenuta a mezzo del solo chiller.
RAFFREDDAMENTO - GHIACCIO E CHILLER. In questo modo di funzionamento il raffreddamento viene fornito 'azione combinata dell'accumulatore termico e del chiller:quest'ultimo pre-raffredda il glicole di ritorno che viene poi fatto passare attraverso l'Unità di Accumulo Termico ICE CHILLER® per essere ulteriormente raffreddato sino alla temperatura richiesta.
SCHEMATICHE DI SISTEMA .
Per l'impiego delle Unità di Accumulo Termico ICE CHILLER® della BAC si utilizzano basilarmente due schemi di impianto. La Figura 3 illustra lo schema a pompa singola, con il chiller posto a monte dell'accumulatore termico.
Figura 3
Circuito a pompa singola - Chiller a monte
Questo schema di impianto consente al sistema di funzionare in quattro dei cinque possibili modi elencati a pagina 5. Essi sono:
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CHILLER P-1 V-1 V-2
formazione Ghiaccio On On A-B A-B
Raffr-solo Ghiaccio Off On modula A-C
raffr.- solo Chiller On ON A-C A-C
raffr- Ghiaccio+Chiller ON On modula A-C
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La valvola V-1 modula in risposta al sensore di temperatura TS-1. La valvola V-2 può essere prevista al fine di mantenere una portata costante, uguale o inferiore a quella data da P-1.Quando il circuito di distribuzione nell'edifico deve contenere acqua refrigerata, occorre naturalmente prevedere uno scambiatore di calore glicole/acqua. Nelle applicazioni in cui già esiste un chiller ad acqua, esso può rimanere inserito nel circuito dell'acqua refrigerata per ridurre il carico termico nel sistema ad accumulo.Questo schema non dovrebbe essere usato nei casi in cui vi sia richiesta di carico termico dall'utenza anche nei periodi di formazione del ghiaccio. Ciò infatti richiederebbe di deviare parte del glicole freddo verso il carico termico (scambiatore o batterie alettate della centrale trattamento aria). Poiché la temperatura del glicole è in questa fase inferiore a 00C, lo scambiatore o le batterie alettate sarebbero soggette a rischi di congelamento.La Figura 4 illustra uno schema a doppia pompa (primaria> secondaria) con il chiller a monte dell'accumulatore termico.
figura 4
QUesto schema di impianto consente al sistema di funzionare in i cinque possibili modi. Con questo schema si utilizza la seuente logica di controllo:
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CHILLER P-1 P-2 V-1 V-2
formazione Ghiaccio On On off A-B A-C
formaz Ghiaccio+Raffr On On On A-B modula
raffr.- solo Chiller On ON ON A-C A-B
raffr.- solo Ghiaccio Off ON On modula A-B
raffr- Ghiaccio+Chiller ON On On modula A-B
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Le valvole V-1 e V-2 modulano in funzione del segnale ricevuto dal sensore di temperatura TS-1. Il vantaggio dato dallo schema a doppia pompa è che il sistema può accumulare iiaccio e nel contempo fronteggiare carico termico dall'utenza senza il rischio di avere congelamenti nello scambiatore o nelle batterie alettate. Questo schema d'impianto consente anche di avere differenti portate di glicole nei due circuiti. Quando le portate nei due circuiti sono diverse, la portata di glicole nel primario è opportuno sia maggiore di quella nel secondario: in caso contrario sarebbe necessario avere nel primario temperature di alimentazione più fredde per garantire a TS-1 il valore di set point di progetto (in quanto vi è sempre una miscelazione di glicole caldo di ritorno dal circuito secondario) causando una riduzione del COP del chiller. Se poi vi fossero differenze di portata molto alte, le temperature richieste al glicole in uscita dall'accumulatore per ottenere il valore di set point a TS-1 potrebbero essere negative (cosa impossibile da ottenere).Come già visto per lo schema a pompa singola, si possono aggiungere al sistema uno scambiatore di calore ed un eventuale chiller già esistente.Esistono anche altri possibili schemi di sistema, ma i due appena illustrati sono quelli più comunemente adottati nei sistemi ad accumulo termico. Tra le più comuni alternative citiamo quella di porre il chiller a valle dell'accumulatore termico. Tale soluzione viene adottata quando con la disposizione opposta non si riesce a mantenere al valore richiesto la temperatura in uscita dal sistema sino alla fine della fase di scioglimento. Collocando il chiller a valle dell'accumulatore, è il chiller che provvede a garantire la temperatura di alimento richiesta dal sistema. Nelle Figure 3 e 4 il chiller è invece posto a monte dell'accumulatore e tale soluzione offre due vantaggi basilari rispetto al caso con chiller a valle. Il primo vantaggio è che il chiller lavora a temperature più elevate del glicole, operandone un pre-raffreddamento: ciò consente al chiller di avere una maggior capacità, richiedendo quindi un minor accumulo termico. Il secondo è che operando a temperature di evaporazione più elevate, l'efficienza del chiller è maggiore (e il consumo energetico minore).
PRESTAZIONI DEL CHILLER
La maggior parte dei chiller "packaged" sono in grado di fornire glicole avente una temperatura variabile entro un largo campo sono percio adatti ad essere utilizzati in sistemi ad accumulo termico. I tipi di chiller utilizzabili sono quelli alternativi, centrifughi e a vite. La scelta del tipo dipende dalla capacità richiesta, dalla temperatura del glicole necessaria, dall'efficienza, dal tipo di condensatore e di refrigerante impiegato. Quando si progetta un sistema ad accumulo termic occorre tener conto della capacità del chiller e della corrispondente temperatura del glicole in uscita. Durante i diversi modi di funzionamento si richiedono differenti temperature del glicole e ciò influenza la capacità (resa) del chiller. La capacità del chiller per fornire glicole a -5,5° C èsensibilmente inferiore a quella per fornirne a +6° C.
I chiller da scegliere per l'impiego con le Unità di Accumulo Termico ICE CHILLER® della BAC devono essere in grado, su cicli di accumulo su 10 ore, di fornire glicole a -5,5° C. Cicli di accumulo più lunghi comportano temperature (a fine fase) più elevate di -5,5° C, mentre cicli più brevi comportano temperature inferiori.La capacità richiesta può limitare la scelta del tipo di chiller nelle applicazioni piu piccole. Il campo di capacità nominale di ciascun tipo di chiller è riportato nella tabella qui sotto.
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TIPO DI CHILLER CAMPO DI CAPACITA' NOMINALE(kW)
Alternativo 450 - 850 kW
A vite 450 - 4200 kW
Centrifugo 600 - 7000 kW +
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I tipi centrifughi e a vite hanno le più alte efficienze, con COP da 5,85 a 4,7 quando forniscono glicole in uscita a +6° C e COP da 4,0 a 3,2 con glicole a -5,5° C. I chiller con compressori alternativi sono meno efficienti e hanno COP da 4,1 a 3,2 con glicole a +6° C e COP da 3,2 a 2,7 con glicole a -5,5° C per formare ghiaccio.In un sistema ad accumulo termico la funzione di smaltimento del calore può essere ottenuta con uno dei soliti sistemi:
condensatore ad aria, ad acqua o evaporativo.
Un condensatore ad aria provoca la condensazione facendo passare aria forzata all'esterno di una batteria alettata al cui interno venga fatto ircolare il refrigerante da~ condensare. il calore latente di ondensazione viene rimosso dal riscaldamento (sensibile) dell'aria. La capacità termica del condensatore è determinata alla temperatura a bulbo secco dell'aria.
Con un condensatore raffreddato ad acqua di torre il calore viene rimosso in due fasi: dapprima il refrigerante viene condensato cedendo calore ad un flusso d'acqua, che successivamente viene raffreddata nella torre evaporativa dove il calore viene smaltito in atmosfera.
I condensatore evaporativo combina in un solo assieme il condensatore ad acqua e la torre evaporativa, eliminando la fase di scambio di calore sensibile nel condensatore ad acqua. ciò consente di ottenere temperature di condensazione inferiori, molto più prossime alla temperatura a bulbo umido di progetto.
Quando si valutano le prestazioni di un chiller occorre tener onto delle variazioni della temperatura di condensazione. Le più basse temperature a bulbo secco e a bulbo umido notturne consentono di ottenere temperature di condensazione inferiori a quelle diurne e tale fatto compensa in parte la riduzione di efficienza e di capacità del chiller quando deve operare a temperature negative per la fase di accumulo.
Nella tabella qui sotto sono riportate le capacità di un chiller, in % rispetto alla capacità nominale, a seconda della temperature del glicole in uscita.
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TEMPERATURA DEL PERCENTUALE DELLA
GLICOLE IN USCITA CAPACITA' NOMINALE(*)
6,0,° C 97%
2,0° C 85%
-5,5° C 66%
(*) La capacità nominale del chiller è riferita alla produzione di acqua refrigerata a +6° C.
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I suddetti valori di capacità sono basati su:
acqua in entrata al condensatore a 30° C e temperatura di condensazione di 46° C durante la fase di semplice raffreddamento (glicole a temperature positive)
acqua in entrata al condensatore a 26,5° C è temperatura di condensazione di 40,5° C durante la fase di accumulo ghiaccio (glicole a temperature negative).
Anche i tipi di refrigerante per i chiller possono essere vari. I chiller centrifughi sono disponibili per uso con R-134a, R 123 ed R-22. I chiller a vite ed alternativi sono disponibili per uso con R-134a, F-22 ed R-717 (ammoniaca).
BALTIMORE AIRCOIL ITALIA SRL
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