Regolazione ottima dei circuiti frigoriferi con particolare attenzione all'efficienza energetica

In tutti gli impianti di climatizzazione e di refrigerazione le singole unità, siano esse funzionali alla produzione di caldo o di freddo, operano per la maggior parte del tempo parzializzando. Storicamente la più diffusa modalità di regolazione dell’energia termica e frigorifera prodotta è rappresentata dal funzionamento intermittente delle unità. Grazie al suo semplice principio di funzionamento, la regolazione on-off risulta essere ancora oggi la modalità più diffusa, soprattutto per macchine con potenze termiche e frigorifere limitate. Tale regolazione è tuttavia caratterizzata da una serie di inefficienze energetiche che caratterizzano il transitorio di avviamento delle unità, inefficienze che prendono il nome di cycling losses. Nonostante siano numerosi gli studi rinvenuti in letteratura riguardanti l’analisi delle cycling losses in unità munite di capillari di laminazione, quasi inesistenti sono gli studi di tale fenomeno in unità equipaggiate con valvole di laminazione termostatiche (TEV) e con valvole di laminazione elettroniche (EEV). Partendo dal presupposto che, al giorno d’oggi, sempre più macchine termiche e frigorifere vengono equipaggiate alternativamente con TEV o EEV, in questo studio viene approfondito il fenomeno delle cycling losses in unità frigorifere equipaggiate con tali valvole. Una parziale soluzione al problema delle cycling losses può essere l’utilizzo di compressori a velocità variabile in grado di erogare, istante per istante, la potenza frigorifera richiesta dall’utenza. In questo lavoro si sono quindi analizzati vantaggi e svantaggi (rispetto alle regolazione on-off) del controllo della potenza frigorifera tramite variazione della frequenza di rotazione di compressori volumetrici con motore BLDC. Il focus della ricerca viene poi spostato dalla singola unità all’intero impianto di refrigerazione. In particolare vengono considerati gli impianti dedicati alla produzione dell’energia frigorifera nei supermercati. Per capire il perché si sia deciso di concentrare l’attenzione su tali impianti di refrigerazione basti pensare che, in molti paesi sviluppati (Italia inclusa), i supermercati sono attualmente i maggiori consumatori di energia elettrica nel settore commerciale. Anche il contributo dei supermercati all’emissione di CO2 risulta essere molto significativo, sia a causa degli elevati consumi di energia elettrica (emissione indiretta di CO2 equivalente), sia a causa delle elevate quantità di refrigerante immesse nell’atmosfera (emissione diretta di CO2 equivalente). In particolare quest’ultimo contributo, dovuto alle micro-perdite di refrigerante nei condotti dell’impianto di refrigerazione, a parità di GWP (Global Warming Potential) del refrigerante considerato, risulta essere tanto più critico tanto maggiore è la carica di refrigerante del sistema. Ecco quindi che, oltre allo studio e all’utilizzo di refrigeranti caratterizzati da un ridotto GWP, risulta fondamentale lo studio di nuove configurazioni di impianto, in grado da un lato di ridurre il consumo di energia elettrica, dall’altro di ridurre drasticamente la carica complessiva di refrigerante necessaria. In questa tesi viene analizzata una particolare configurazione di impianto denominata Water-loop Self-Contained (WLSC), caratterizzata dal fatto di avere ciascun banco equipaggiato con un proprio compressore a velocità variabile (motore BLDC) e un proprio condensatore. La potenza termica di ciascun banco viene ceduta ad un anello d’acqua, a sua volta raffreddato da un dry-cooler o da un chiller. Viene in particolare presentato un confronto energetico/economico tra un supermercato WLSC (con compressori a velocità variabile) e due soluzioni multiplex con compressori centralizzati. Nella parte finale del lavoro viene proposto un approfondimento sulla regolazione del chiller di media temperatura di un impianto WLSC, regolazione che risulta essere particolarmente critica in un’ottica di minimizzazione del consumo elettrico globale di tale sistema di refrigerazione.