Controllo dell'impianto di refrigerazione

È importante capire che, indipendentemente da quanto buona sia la progettazione del sistema, sono necessari controlli adeguati affinché tutti i componenti funzionino correttamente come sistema. È altrettanto importante capire che non è possibile “controllare la via d’uscita da una cattiva progettazione del sistema”.

L'impianto di refrigerazione è costituito da refrigeratori, pompe, tubi, serpentine, torri di raffreddamento, sensori di temperatura, valvole di controllo e molti altri dispositivi. È simile ad un'orchestra con molti strumenti. L'esistenza di questi pezzi non garantisce che il sistema funzioni correttamente. Ci vuole un direttore d'orchestra. Nel caso di un sistema ad acqua refrigerata, il conduttore è un sistema di controllo dell'impianto di refrigerazione. Il funzionamento dell'impianto dipende dalla capacità del sistema di controllo di far funzionare tutti i componenti insieme.

Il cambiamento più grande nell’ambito dei refrigeratori nell’ultimo decennio ha riguardato senza dubbio l’area dei controlli. In passato, i refrigeratori erano controllati pneumaticamente e venivano protetti spegnendoli se le portate o le temperature cambiavano troppo rapidamente. Gli odierni controlli basati su microprocessore forniscono un controllo accurato della temperatura dell'acqua refrigerata, nonché funzioni di monitoraggio, protezione e limitazione adattiva.

Questi controlli monitorano il funzionamento del refrigeratore e ne impediscono il funzionamento al di fuori dei limiti accettabili. Possono anche adattarsi a condizioni operative insolite, mantenendo il refrigeratore in funzione modulando i suoi componenti e inviando un messaggio di avviso, invece di limitarsi a spegnerlo quando viene violata un'impostazione di sicurezza. La migliore precisione del controllo consente di utilizzare i refrigeratori in sistemi e applicazioni precedentemente evitati. Quando si verificano problemi, i messaggi diagnostici aiutano nella risoluzione dei problemi. I moderni controlli dei refrigeratori si interfacciano anche con un sistema di controllo dell'impianto di refrigerazione per il funzionamento integrato del sistema.

Cos'è importante?

Ci sono principalmente cinque questioni da affrontare in un sistema di controllo di un impianto di refrigerazione.

• Quando dovrebbe essere acceso o spento un refrigeratore?
• Dopo aver saputo che un refrigeratore deve essere acceso o spento, quale dovrebbe essere?
• Se proviamo ad accendere un refrigeratore, una pompa o una torre di raffreddamento e si verifica un malfunzionamento, cosa facciamo dopo?
• Come possiamo ridurre al minimo il costo energetico di funzionamento del sistema?
• Come può il sistema di controllo dell'impianto di refrigerazione comunicare efficacemente con l'operatore?

Il sequenziamento dei refrigeratori si riferisce al prendere decisioni su quando accendere e spegnere i refrigeratori e in quale ordine. In genere, l'accensione e lo spegnimento dei refrigeratori viene eseguita con l'obiettivo di abbinare la capacità dell'impianto di refrigerazione al carico di raffreddamento del sistema. Per fare ciò con successo, la progettazione del sistema di acqua refrigerata deve fornire al sistema di controllo variabili che siano buoni indicatori del carico del sistema.

La progettazione idraulica e le dimensioni del sistema di acqua refrigerata determineranno i possibili metodi per monitorare efficacemente il carico del sistema. I metodi tipici per il monitoraggio del carico includono:

• Nei sistemi con tubi in serie o in parallelo, vengono monitorate le temperature dell'acqua di mandata e di ritorno e talvolta l'assorbimento di corrente del refrigeratore.
• In un sistema primario-secondario, vengono generalmente misurate la temperatura dell'acqua di mandata e di ritorno del refrigeratore e/o la direzione e la quantità del flusso nel tubo di bypass.
• In un sistema a flusso primario variabile, è possibile monitorare la temperatura dell'acqua di alimentazione del sistema e la portata del sistema.
• In alcuni sistemi è stata utilizzata anche la misurazione diretta del carico del sistema (in tonnellate, kW o ampere).

Sono possibili anche altri metodi. È fondamentale che il sistema di acqua refrigerata sia progettato tenendo presente le variabili di controllo; in caso contrario, il risultato potrebbe essere un sistema impossibile da controllare in modo efficiente.

Temperatura

Gli odierni controlli dei refrigeratori possono controllare in modo molto accurato le temperature dell'acqua in uscita del refrigeratore su un'ampia gamma di carichi. Ciò è particolarmente vero per i refrigeratori centrifughi e rotativi elicoidali. Questo fatto consente ai sistemi ad acqua refrigerata a flusso costante, simili al sistema mostrato nella Figura sopra, di utilizzare le temperature dell'acqua di mandata e di ritorno del sistema per determinare il carico del sistema.

Rilevando un aumento della temperatura dell'acqua in uscita dall'impianto di refrigerazione, il sistema di controllo può determinare quando i refrigeratori in funzione non riescono più a mantenere la temperatura desiderata. Spesso, si consente alla temperatura dell'acqua di alimentazione di variare di una quantità predeterminata prima di accendere un refrigeratore aggiuntivo, per garantire che vi sia un carico sufficiente per mantenere in funzione un refrigeratore aggiuntivo.

Decidere quando è opportuno spegnere un refrigeratore è più complesso. Il sistema di controllo può monitorare il ∆T del sistema, ovvero la temperatura dell'acqua di ritorno meno la temperatura dell'acqua di mandata. Queste informazioni, insieme alle capacità dei refrigeratori in funzione, consentono al sistema di controllo di determinare quando un refrigeratore può essere spento. Per aiutare a stabilizzare il funzionamento del sistema, il sistema di controllo dovrebbe utilizzare la logica per evitare che i transitori del carico causino cicli ingiustificati del refrigeratore.

Nei sistemi a flusso costante che soffrono di “sindrome da basso ∆T"(sistemi lato aria che restituiscono l'acqua all'impianto a temperature inferiori a quelle desiderate), alcuni terminali di carico potrebbero non avere più flusso prima che venga superata la capacità del refrigeratore in funzione. Per preservare l’efficienza del sistema, questa situazione è meglio affrontata risolvendo il problema airside. Le cause tipiche della sindrome da basso ∆T includono: un sistema di flusso scarsamente bilanciato, filtri o batterie sporchi, controlli del dispositivo di trattamento dell'aria con prestazioni scadenti, valvole di controllo della batteria non corrette o dispositivi di trattamento dell'aria sottodimensionati.

Flusso

In un sistema primario-secondario, la direzione e la quantità del flusso nel tubo di bypass sono un eccellente indicatore di quando accendere o spegnere un refrigeratore. Come discusso nel Secondo Periodo, il flusso d'acqua nel tubo di bypass può essere misurato direttamente utilizzando un flussometro o indirettamente misurando la temperatura dell'acqua del sistema e applicando equazioni di miscelazione del flusso. Le regole applicate al flusso di bypass per determinare quando accendere e spegnere un refrigeratore sono:

• Quando c'è un flusso deficitario, è possibile aggiungere un refrigeratore.
• Quando c'è un flusso in eccesso maggiore di quello del successivo refrigeratore da spegnere, più un fattore di sicurezza compreso tra il 10 e il 15%, quel refrigeratore può essere spento.
• Se non esiste nessuna delle condizioni precedenti, non fare nulla.

In alternativa alla misurazione del flusso in un sistema primario-secondario con quattro o meno refrigeratori, è possibile utilizzare le temperature dell'acqua di alimentazione del sistema e di ritorno dell'impianto di refrigerazione per decidere quando accendere o spegnere un refrigeratore. Questo è simile alla logica applicata ai sistemi a flusso costante. È semplice e ha un basso costo di installazione, ma è meno accurato della determinazione del flusso, soprattutto con l'aumento del numero di refrigeratori.

La “sindrome da basso ∆T” può influenzare anche il funzionamento degli impianti primario-secondario. A differenza dei sistemi a flusso costante, il sistema primario-secondario manterrà il flusso del sistema richiesto e la temperatura dell'acqua di alimentazione, preservando quindi il comfort degli occupanti. Tuttavia, ciò avviene accendendo ulteriori refrigeratori prima che tutti i refrigeratori in funzione siano a pieno carico. Ciò potrebbe ridurre l’efficienza complessiva del sistema.

Sebbene alcuni abbiano proposto soluzioni come l'inserimento di una valvola nella linea di bypass, l'abbassamento della temperatura dell'acqua di alimentazione o il controllo diverso del sistema, queste sono solo cerotti che mascherano il problema reale e spesso causano altre difficoltà operative. Risolvere la causa principale della sindrome da basso ∆T nel sistema di distribuzione è la migliore linea d'azione per un funzionamento corretto ed efficiente del sistema.

Capacità

Un altro metodo per monitorare il carico di raffreddamento del sistema consiste nel misurare direttamente la portata dell'acqua e le temperature del sistema, quindi calcolare il carico. Anche se sembrerebbe che la misurazione diretta del carico effettivo del sistema sia un modo eccellente per determinare quando accendere e spegnere i refrigeratori, questo metodo presenta diversi inconvenienti. Richiede l'uso di misuratori di portata con elevata precisione ed elevate capacità di turndown. Sebbene i misuratori di portata siano diventati più accurati e meno costosi, richiedono condizioni di installazione speciali per una precisione affidabile, condizioni raramente ottenibili nelle installazioni reali. Inoltre, l'apparecchiatura richiede in genere una calibrazione regolare. Per questi motivi, la misurazione diretta del carico non è stata utilizzata tanto quanto i metodi semplici e affidabili discussi in precedenza.

Un modo alternativo per monitorare il carico del refrigeratore è misurare l'assorbimento di corrente del motore del refrigeratore. Di per sé, ciò non fornisce un indicatore di controllo adeguato, ma se utilizzato insieme ad altre informazioni, come la temperatura dell'acqua di alimentazione del sistema, può essere efficace. La temperatura dell'acqua di alimentazione del sistema viene utilizzata per determinare quando accendere un refrigeratore aggiuntivo, mentre l'assorbimento di corrente del motore del compressore del refrigeratore in funzione viene utilizzato per determinare quando un refrigeratore può essere spento.

L'indicatore di carico più efficace per qualsiasi sistema di acqua refrigerata dipende dalla progettazione di tale sistema. I progettisti creativi hanno utilizzato le strategie di controllo qui descritte e in varie combinazioni per controllare in modo efficace un'ampia varietà di impianti di refrigerazione. Si consiglia vivamente che una delle prime attività intraprese nel processo di progettazione sia quella di creare un diagramma di flusso semplificato e un modello di carico del sistema che consenta la valutazione delle varie strategie di controllo e del posizionamento dei sensori. Ciò contribuirà a garantire l’implementazione di un controllo efficace degli impianti di refrigerazione.

Rotazione del refrigeratore

Quando il sistema ha stabilito che un refrigeratore deve essere acceso o spento, il problema successivo è determinare la sequenza in cui accendere e spegnere i refrigeratori. Si presuppone che il primo refrigeratore della sequenza venga sempre acceso ogni volta che è richiesto il raffreddamento.

Quando il sistema è composto da refrigeratori identici, la scelta di quale refrigeratore accendere o spegnere successivamente ha un impatto minimo sull'efficienza del sistema. Alcuni progettisti e operatori preferiscono uniformare il tempo di funzionamento e il numero di avviamenti per tutti i refrigeratori del sistema. Ciò avviene generalmente ruotando la sequenza dei refrigeratori su base periodica, spesso ogni pochi giorni o settimane. Questo metodo generalmente mantiene il tempo di esecuzione equalizzato ragionevolmente bene e l'operatore sa esattamente quando aspettarsi che avvenga la rotazione. Un approccio alternativo consiste nel sommare le ore di funzionamento effettive di ciascun refrigeratore, nel tentativo di ruotare i refrigeratori quando si verifica uno squilibrio significativo nel tempo di funzionamento o nel numero di avviamenti. La rotazione basata sul tempo di esecuzione effettivo presenta lo svantaggio che l'operatore non sa quando avverrà la rotazione. In alcune installazioni, il personale operativo preferisce avviare manualmente la rotazione.

D'altro canto, alcuni ingegneri progettisti e operatori ritengono che l'equalizzazione dei tempi di funzionamento comporterà la necessità di revisionare o sostituire tutti i refrigeratori contemporaneamente. Tendono a far funzionare prima il refrigeratore più efficiente, seguito da quello successivo più efficiente e così via. Con questo approccio, tutti i refrigeratori vengono accesi almeno una volta al mese per garantire che possano avviarsi quando richiesto.

Quando il sistema è costituito da refrigeratori con diverse capacità, efficienze o tipi di combustibile, la questione su quale refrigeratore accendere o spegnere successivamente diventa più complessa. Sebbene ogni sistema richieda un'analisi completa, esistono alcuni principi generali che si applicano alla maggior parte dei sistemi.

Nei sistemi con refrigeratori di diversa capacità, come il concetto di refrigeratore “swing” introdotto nel Terzo Periodo, l'obiettivo è quello di far funzionare il minor numero di refrigeratori e il refrigeratore più piccolo possibile. Ciò in genere riduce al minimo il consumo energetico complessivo del sistema adattando strettamente la capacità dell'impianto al carico del sistema, riducendo così l'energia utilizzata dalle apparecchiature ausiliarie.

Nei sistemi con refrigeratori di diversa efficienza, è opportuno far funzionare prima i refrigeratori più efficienti e per ultimi quelli meno efficienti. Se sono coinvolti diversi tipi di combustibile, il sistema di controllo può ricevere dati sui costi del gas naturale e dell’elettricità e calcolare il costo in tempo reale di funzionamento dei refrigeratori elettrici rispetto a quelli alimentati a gas.

Recupero di calore

Il sistema potrebbe anche trarre vantaggio dall’avere un refrigeratore a recupero di calore a pieno carico. Come discusso nel Terzo Periodo, per massimizzare la quantità di calore recuperato, è spesso preferibile caricare quel refrigeratore, sequenziandolo come refrigeratore di base: "first on" e "last off". Altri refrigeratori possono quindi essere accesi quando il refrigeratore a recupero di calore non è in grado di gestire da solo il carico di raffreddamento.

Una variante di questa idea è un refrigeratore ad assorbimento alimentato dal calore di scarto. Viene caricato preferenzialmente per gestire la maggior quantità possibile di carico di raffreddamento prima di accendere altri refrigeratori. Il refrigeratore ad assorbimento verrebbe sequenziato come refrigeratore di base per sfruttare l'energia gratuita che fa funzionare questo refrigeratore.

Sistemi a flusso primario variabile

Il sistema a flusso primario variabile, introdotto nel Terzo Periodo, è progettato per funzionare con un flusso variabile attraverso gli evaporatori più freddi. Il sequenziamento dei refrigeratori in questo tipo di sistema non può essere basato esclusivamente sulla temperatura, perché in un sistema che funziona correttamente le temperature dell'acqua di mandata e di ritorno saranno quasi costanti. Determinare quando accendere o spegnere i refrigeratori non è un compito semplice. Per la stabilità del controllo e l'affidabilità del refrigeratore, le portate attraverso i refrigeratori e la velocità di variazione del flusso devono essere mantenute entro intervalli consentiti.

Pertanto, il controllo di un sistema a flusso primario variabile deve:

• Includere un metodo per determinare il carico del sistema. Molti sistemi misurano portate e temperature.
• Assicurarsi che le portate attraverso i refrigeratori rientrino nei limiti minimo e massimo consentiti. La modulazione di una valvola di controllo nel tubo di bypass viene comunemente utilizzata per garantire portate minime attraverso i refrigeratori.
• Controllare la velocità con cui cambia la portata del sistema, per garantire che non cambi più rapidamente di quanto i refrigeratori possano adattarsi. Ciò è particolarmente importante quando si accendono refrigeratori aggiuntivi.

È necessario dedicare tempo adeguato alla progettazione della sequenza di controllo e alla messa in servizio del sistema dopo l'installazione, per garantire il corretto funzionamento di un sistema a flusso primario variabile.

Ripristino da errori di sistema

• Mantenere il flusso di acqua refrigerata
• Mantienilo semplice
  • Bloccare le apparecchiature guaste
  • Accendere il refrigeratore successivo nella sequenza
• Avvisare l'operatore
• Consentire l'intervento dell'operatore

Oltre al normale sequenziamento dei refrigeratori, il sistema di controllo dell'impianto di refrigerazione deve reagire in caso di guasto di un refrigeratore o di un'altra apparecchiatura associata. Il recupero dei guasti, o la garanzia di una fornitura affidabile di acqua refrigerata, è una parte molto importante del sistema di controllo dell'impianto di refrigerazione ed è un'area in cui molti sistemi non hanno funzionato. Ciò è particolarmente vero nei sistemi programmati sul campo a causa della difficoltà di un debug approfondito.

Durante i periodi di malfunzionamento delle apparecchiature, è importante concentrarsi sull'obiettivo principale del sistema, ovvero fornire al sistema il flusso richiesto di acqua refrigerata alla temperatura adeguata. Sembra ragionevole che la sequenza di ripristino dal guasto più semplice e affidabile sia semplicemente accendere il refrigeratore successivo nella sequenza e non provare ad accendere e spegnere diversi refrigeratori nel tentativo di riottimizzare il sistema.

Durante un guasto dell'apparecchiatura, è particolarmente importante notificare lo stato all'operatore, nonché aiutare l'operatore a capire dove si trova il problema e quale potrebbe esserne la causa. Il sistema di controllo deve inoltre consentire all'operatore di analizzare facilmente la situazione e di intervenire qualora la condizione di guasto permanga per un periodo di tempo prolungato. Un sistema che fornisce queste informazioni garantirà che il sistema stesso sarà mantenuto e gestito in condizioni adeguate.

Pianificazione di emergenza

Oltre al ripristino in caso di guasto, è opportuno che il progettista del sistema collabori con il proprietario dell'edificio per sviluppare un piano di emergenza per l'acqua refrigerata nel caso di un arresto di emergenza o di un guasto prolungato. Molte organizzazioni dispongono di piani di emergenza per le aree critiche della propria attività. Alcuni si occupano dei disastri naturali e altri della perdita di energia in aree critiche. Tuttavia, pochi si sono presi il tempo di pensare a cosa significherebbe una perdita di raffreddamento per la loro struttura. Ciò è spesso particolarmente critico per le applicazioni di raffreddamento di processo.

La pianificazione di emergenza del raffreddamento ha lo scopo di ridurre al minimo le perdite che una struttura potrebbe subire a seguito di una perdita totale o parziale della capacità di raffreddamento. Consente all'operatore edile di agire più rapidamente disponendo di un piano in atto e preparando in modo proattivo la struttura. Un piano di questo tipo spesso prevede la collaborazione con i fornitori per noleggiare temporaneamente le apparecchiature di raffreddamento. Durante la costruzione iniziale, è facile ed economico fornire tronchetti di tubazione integrati nel sistema di acqua refrigerata per un collegamento rapido e collegamenti elettrici facilmente accessibili. Combinando il leasing delle apparecchiature con queste semplici aggiunte al sistema, è possibile mettere in atto rapidamente un piano di emergenza e il sistema può produrre nuovamente acqua refrigerata in un breve periodo di tempo.

È importante identificare innanzitutto la capacità di raffreddamento minima, o critica, richiesta. Con più refrigeratori in una struttura, può essere accettabile avere una capacità inferiore alla piena in una situazione di emergenza. Ad esempio, l’impianto di refrigerazione può essere di 1.800 tonnellate [6.330 kW], ma la capacità minima richiesta in una situazione di emergenza può essere solo di 1.200 tonnellate [4.220 kW]. Pertanto, è anche importante identificare un piano di emergenza nel caso in cui il refrigeratore 1 si guasti, se il refrigeratore 2 si guasti, se i refrigeratori 2 e 3 si guastino e così via.

Sintonizzazione del sistema

Oltre all'accensione e allo spegnimento dei refrigeratori, esistono altre funzioni del sistema di controllo dell'impianto di refrigerazione che aiutano a evitare che l'instabilità del flusso del sistema interrompa il funzionamento del refrigeratore. L'instabilità del flusso può spesso essere causata dal normale funzionamento della valvola e della pompa. Il primo riguarda i ritardi temporali.

Un ciclo eccessivo può essere dannoso per la vita di un motore. Per questo motivo, l'accensione e lo spegnimento di un motore di grandi dimensioni (come quelli utilizzati nei grandi refrigeratori) dovrebbero essere ridotti al minimo. I sistemi ad acqua refrigerata hanno tipicamente una grande massa termica (acqua nel sistema) e beneficiano della diversità e della lenta variazione del carico di raffreddamento del sistema. Pertanto, in genere non sono necessarie reazioni rapide. Infatti, una risposta troppo rapida spesso causa instabilità del sistema, spreco di energia e usura inutile delle apparecchiature meccaniche. Per ottenere un controllo stabile e accurato, molti sistemi di controllo degli impianti di refrigerazione forniscono ritardi temporali che possono essere regolati dall'operatore per ridurre al minimo i cicli del refrigeratore.

Il primo ritardo è il timer di conferma del carico. Il suo scopo è ritardare l'accensione di un refrigeratore aggiuntivo per un periodo di tempo successivo all'indicazione iniziale che è necessario un refrigeratore aggiuntivo. Ciò conferma che il carico indicato non è una condizione transitoria che causerebbe l'accensione e il successivo spegnimento rapido del refrigeratore.

Il secondo ritardo, che funziona insieme al primo, è un timer di intervallo di attivazione. Il suo scopo è concedere al sistema il tempo di rispondere dopo l'accensione del refrigeratore. Ciò impedisce l'accensione di un numero di refrigeratori superiore a quello effettivamente necessario, in particolare durante i periodi di riduzione o di rapida variazione del carico.

Il terzo ritardo è un timer a ciclo minimo. Questo timer dovrebbe avere la massima priorità. Richiede un periodo di tempo fisso tra l'accensione di un singolo refrigeratore e il suo spegnimento. Ciò garantisce che il refrigeratore non venga sottoposto a cicli troppo frequenti.

È importante comprendere che questi timer hanno una priorità inferiore rispetto alle sicurezze integrate nei singoli controlli del refrigeratore. In ogni momento, le sicurezze individuali del refrigeratore devono essere in grado di arrestare il refrigeratore per evitare danni all'apparecchiatura.

Scarica prima di iniziare

La successiva funzione di controllo consiste nello scaricare parzialmente i refrigeratori in funzione prima che un refrigeratore e una pompa aggiuntivi vengano accesi. A seconda della configurazione del sistema, possono verificarsi variazioni molto rapide nel flusso d'acqua attraverso l'evaporatore del refrigeratore quando una pompa viene accesa o spenta o quando una valvola di controllo viene aperta o chiusa. Lo scarico parziale del refrigeratore prima di tali variazioni consente al refrigeratore di continuare a funzionare senza interruzioni.

Ciò può essere spiegato osservando il diagramma di flusso di un sistema di acqua refrigerata con più pompe. Questo diagramma mostra che, con una pompa e un refrigeratore in funzione, la portata attraverso il refrigeratore è di 610 gpm [38,5 L/s]. Quando vengono accesi la seconda pompa e il refrigeratore della stessa dimensione, la portata attraverso il sistema aumenta a 870 gpm [54,9 L/s], ma la portata attraverso ciascun refrigeratore scende a 435 gpm [27,4 L/s]. Si tratta di una riduzione istantanea di 175 gpm [11 L/s], ovvero del 30%, attraverso il primo refrigeratore.

A causa di questa drastica riduzione del flusso, la temperatura dell'acqua in uscita dal refrigeratore e la temperatura del refrigerante nell'evaporatore diminuiscono. Nuovi e avanzati controlli del refrigeratore possono consentire alla temperatura del refrigerante di scendere al di sotto del punto di congelamento del fluido per un breve periodo di tempo mentre il compressore si scarica. La sicurezza a bassa temperatura dell'evaporatore può, tuttavia, spegnere il refrigeratore se i controlli e il compressore non riescono a reagire abbastanza rapidamente.

La funzione di “scarico prima dell'avvio” scarica parzialmente i refrigeratori in funzione, aumentando la temperatura del refrigerante nell'evaporatore, prima che si verifichi la riduzione del flusso. I refrigeratori possono ricaricarsi non appena viene acceso il refrigeratore aggiuntivo.

Caricamento morbido

Un'altra funzione di controllo desiderabile è chiamata caricamento graduale. Viene generalmente utilizzato quando il sistema è rimasto spento per un lungo periodo di tempo e la temperatura dell'acqua refrigerata è uguale alla temperatura ambiente all'interno dell'edificio.

Il caricamento graduale ritarda l'accensione di ulteriori refrigeratori o varia il setpoint dell'acqua refrigerata, consentendo ai refrigeratori in funzione di raggiungere gradualmente il carico di riduzione dell'edificio. Ciò si traduce in un pull-down molto fluido, impedisce il superamento del setpoint e fa funzionare solo l'apparecchiatura necessaria per soddisfare il carico effettivo del sistema.

Acqua refrigerata a flusso costante

I sistemi ad acqua refrigerata a flusso costante richiedono spesso il controllo individuale del setpoint del refrigeratore. Il suo scopo è quello di contribuire a mantenere la temperatura dell'acqua di mandata del sistema compensando il bypass dell'acqua di ritorno attraverso i refrigeratori non operativi.

Il sistema di controllo dell'impianto di refrigerazione regola i singoli setpoint affinché il refrigeratore in funzione "raffreddi troppo" l'acqua prima che si mescoli con l'acqua a temperatura più elevata che bypassa attraverso il refrigeratore non in funzione. Il risultato è che l'acqua refrigerata fornita al sistema è il più vicino possibile alla temperatura desiderata. Esistono limiti alla quantità di sovraraffreddamento. A seconda del progetto del sistema di acqua refrigerata, possono verificarsi due situazioni. Il refrigeratore potrebbe non essere stato selezionato per produrre acqua sufficientemente fredda oppure la temperatura richiesta potrebbe essere inferiore al punto di congelamento dell'acqua da raffreddare. In entrambi i casi, il sistema di controllo deve essere sufficientemente intelligente da limitare il raffreddamento eccessivo per evitare danni al refrigeratore.

Inoltre, il sistema di controllo deve sapere quando accendere un altro refrigeratore per soddisfare il setpoint della temperatura dell'acqua refrigerata del sistema. Potrebbe essere necessario accendere un refrigeratore aggiuntivo per soddisfare la richiesta di flusso del sistema, anche se il refrigeratore in funzione potrebbe non essere completamente carico.

Ottimizzazione del sistema

• Refrigeratore
  • Diminuire la temperatura dell'acqua del condensatore
  • Aumentare la temperatura dell'acqua refrigerata
• Pompa dell'acqua refrigerata (sistema a flusso variabile)
  • Aumentare il ∆T dell'acqua refrigerata
• Torre di raffreddamento
  • Aumentare la temperatura dell'acqua del condensatore
• Pompa dell'acqua del condensatore (sistema a flusso variabile)
  • Aumentare il ∆T dell'acqua del condensatore

Il sistema di controllo dell'impianto di refrigerazione può essere utilizzato anche per l'ottimizzazione del sistema. Ai fini di questa discussione, definiremo l'ottimizzazione come la minimizzazione dell'energia utilizzata dall'impianto di refrigerazione (inclusi refrigeratori, pompe dell'acqua refrigerata, pompe dell'acqua del condensatore e torre di raffreddamento) pur mantenendo il comfort o soddisfacendo i carichi di processo.

Il primo passo è esaminare il consumo energetico dei principali componenti dell'impianto di refrigerazione, per vedere cosa si può fare per ridurre al minimo ciascun componente individualmente

Il consumo energetico del refrigeratore può essere ridotto abbassando la temperatura dell'acqua del condensatore o aumentando la temperatura dell'acqua refrigerata.

In un sistema a flusso variabile, l'energia di pompaggio dell'acqua refrigerata può essere ridotta abbassando la temperatura dell'acqua refrigerata e aumentando al tempo stesso il ∆T del sistema. Con una temperatura dell'acqua più bassa e un ∆T maggiore, la batteria richiede meno flusso d'acqua per gestire lo stesso carico.

L’energia della torre di raffreddamento può essere ridotta aumentando la temperatura dell’acqua del condensatore. Ciò consente ai ventilatori della torre di funzionare o rallentare. L'energia di pompaggio dell'acqua del condensatore può essere ridotta aumentando il ∆T attraverso il lato condensatore del sistema, pompando così meno acqua. Ciò si ottiene riducendo il flusso d'acqua attraverso il condensatore.

Ovviamente, considerare solo un singolo componente presenta un quadro contrastante per quanto riguarda la riduzione energetica, e un cambiamento in un componente ha un impatto sugli altri componenti. Per ottimizzare veramente l'impianto di refrigerazione, tutti i componenti devono essere analizzati insieme.

Ripristino dell'acqua refrigerata

Come affermato in precedenza, quando il setpoint della temperatura dell'acqua refrigerata viene reimpostato verso l'alto, il refrigeratore utilizzerà meno energia. Nei sistemi a flusso costante, questa strategia di ripristino dell'acqua refrigerata è abbastanza semplice da implementare e può essere controllata in base al calo della temperatura dell'acqua di ritorno.

In un sistema a flusso variabile, tuttavia, all’aumentare della temperatura dell’acqua refrigerata aumenta anche l’energia di pompaggio. Mentre il COP del refrigeratore è di circa 6,5, il COP della pompa è di circa 0,65. Spesso l'aumento dell'energia della pompa sarà superiore alla quantità di energia risparmiata dal refrigeratore, soprattutto perché il refrigeratore funzionerà spesso in condizioni di carico parziale. Un altro potenziale problema legato al ripristino della temperatura dell'acqua refrigerata verso l'alto è che il controllo dell'umidità ambientale può essere compromesso se l'acqua diventa troppo calda. Infine, il sistema di controllo dell'impianto di refrigerazione deve tenere conto della variazione della temperatura dell'acqua di alimentazione.

Lo standard ASHRAE/IESNA 90.1–1999 (sezione 6.3.4.3) richiede l'uso del ripristino della temperatura dell'acqua refrigerata in sistemi più grandi di 25 tonnellate [88 kW]. Esclude, tuttavia, i sistemi a flusso variabile e i sistemi in cui il controllo dell’umidità ambientale sarà compromesso.

Alcuni ingegneri ritengono che progettare il sistema per portate basse e una temperatura dell’acqua di alimentazione più bassa, riducendo così al minimo il consumo di energia della pompa, potrebbe essere una risposta migliore rispetto al tentativo di ripristinare la temperatura verso l’alto.

Temperatura dell'acqua del condensatore

L'abbassamento della temperatura dell'acqua del condensatore può anche ridurre il consumo energetico del refrigeratore. A seconda del carico del sistema e delle condizioni esterne, le torri di raffreddamento hanno generalmente la capacità di fornire acqua del condensatore più fredda rispetto alle condizioni di progetto. Ciò, tuttavia, aumenta il consumo energetico dei ventilatori della torre di raffreddamento. La chiave per massimizzare il risparmio energetico è conoscere la relazione tra il consumo energetico della torre di raffreddamento e il consumo energetico del refrigeratore.

Nelle condizioni di progettazione, un refrigeratore utilizza generalmente da cinque a dieci volte più energia di una torre di raffreddamento. Ciò suggerirebbe che potrebbe essere utile utilizzare più energia nella torre di raffreddamento per risparmiare energia nel refrigeratore. Tuttavia, esiste un punto di rendimento decrescente in cui il risparmio energetico del refrigeratore è inferiore all’energia aggiuntiva utilizzata dalla torre di raffreddamento. La Figura 106 mostra il consumo energetico annuo combinato di un refrigeratore e di una torre di raffreddamento in un sistema controllato su vari setpoint della temperatura dell'acqua del condensatore. La terza colonna mostra un sistema che tenta di fornire in ogni momento acqua a 12,8°C [55°F] dalla torre di raffreddamento. Naturalmente, nelle condizioni di progetto, la torre di raffreddamento potrebbe non essere in grado di fornire questa temperatura, ma fornirà l'acqua alla temperatura più fredda possibile.

La quarta colonna mostra un sistema che utilizza un sistema di controllo per determinare dinamicamente la temperatura ottimale dell'acqua del condensatore che riduce al minimo il consumo energetico combinato del refrigeratore e della torre di raffreddamento. È ovvio che questo metodo di controllo ottimale riduce al minimo il consumo energetico complessivo del sistema.

Controllo della pressione di condensazione

Correlato al problema del controllo della temperatura dell'acqua del condensatore è il controllo della pressione di condensazione. Ogni refrigeratore richiede una differenza minima di pressione del refrigerante tra l'evaporatore e il condensatore, per garantire che il refrigerante e l'olio circolino correttamente all'interno del refrigeratore. Questa differenza di pressione varia in base alla progettazione del refrigeratore e alle condizioni operative. Il refrigeratore deve sviluppare la differenza di pressione richiesta entro un certo periodo di tempo, come specificato dal produttore, altrimenti i controlli del refrigeratore lo spegneranno a causa di un limite di sicurezza. Durante alcune condizioni di avvio, questa differenza di pressione potrebbe essere difficile da ottenere nel tempo richiesto.

Un esempio di tale condizione è un edificio per uffici rimasto disabitato durante un fresco fine settimana autunnale. La temperatura dell'acqua nella vasca della torre di raffreddamento è di 4,4°C [40°F]. Il lunedì è soleggiato e caldo e il carico di raffreddamento dell'edificio richiede l'avvio di un refrigeratore. Poiché il refrigeratore funziona a carico parziale e la vasca della torre è relativamente grande, la differenza di pressione minima potrebbe non essere raggiunta prima che il refrigeratore venga spento in sicurezza. Se, tuttavia, la portata dell'acqua attraverso il condensatore viene ridotta, è possibile ottenere la differenza di pressione minima. La portata inferiore aumenta la temperatura dell'acqua in uscita dal condensatore, il che si traduce in una maggiore pressione del refrigerante all'interno del condensatore. Una volta raggiunta la differenza di pressione minima, la portata può essere nuovamente aumentata.

È possibile monitorare la pressione del refrigerante nel condensatore o il differenziale di pressione del refrigerante condensatore-evaporatore e utilizzarli per controllare la temperatura o la portata dell'acqua del condensatore, per evitare che questo differenziale di pressione scenda al di sotto del limite.

Interfaccia operatore

La comunicazione e il controllo a livello di sistema sono molto importanti. Oggi, la quantità di comunicazione tra i componenti (refrigeratori, torri di raffreddamento, pompe, valvole di controllo e così via) è aumentata enormemente, consentendo a molti sistemi di acqua refrigerata di essere completamente automatizzati.

In alcune strutture, tuttavia, il maggior utilizzatore di energia nel sistema HVAC (l'impianto di refrigerazione) non è andato oltre il controllo manuale. In alcuni casi si è ridotto al controllo manuale subito dopo la messa in servizio dell'edificio.

Perché succede questo? I refrigeratori sono grandi, con apparecchiature molto costose che, se danneggiate da un funzionamento errato, possono costare al proprietario una notevole quantità di denaro per la riparazione o la sostituzione. Gli operatori sono, quindi, molto sensibili al funzionamento degli impianti di refrigerazione. Se l'operatore non capisce come il sistema è progettato e controllato, è probabile che il sistema venga messo in modalità di controllo manuale. Pertanto, la formazione e il supporto iniziali e continui degli operatori sono fondamentali.

All’interno di un sistema ad acqua refrigerata è disponibile una quantità incredibile di informazioni. Spesso il problema non è la mancanza di informazioni, ma come interpretarle. Pertanto, un'interfaccia chiara e concisa tra il sistema di controllo e l'operatore del sistema è estremamente importante.

Le informazioni che devono essere comunicate all'operatore includono:

• Temperature del sistema dell'acqua refrigerata
• Stato del refrigeratore (acceso o spento)
• Informazioni specificate dalla linea guida ASHRAE 3
• Qualsiasi azione di controllo in sospeso (il refrigeratore sta per accendersi o spegnersi)
• Stato dei ritardi temporali del sistema
• Stato delle apparecchiature ausiliarie (pompe, torri di raffreddamento e così via)

Inoltre, il sistema di controllo dell'impianto di refrigerazione dovrebbe avvisare l'operatore dei problemi che si stanno verificando, o stanno per verificarsi, nel sistema. Questi messaggi di avviso o diagnostici possono indicare il malfunzionamento di un singolo componente dell'apparecchiatura o essere indicativi di modifiche al sistema che potrebbero causare problemi. La diagnostica che si verifica sul pannello di controllo del refrigeratore deve essere comunicata al sistema di controllo dell'impianto di refrigerazione.

registro di funzionamento del refrigeratore

La linea guida ASHRAE 3, Riduzione delle emissioni di refrigeranti alogenati nelle apparecchiature e nei sistemi di refrigerazione e condizionamento dell'aria, include un elenco di dati consigliati da registrare quotidianamente per ciascun refrigeratore. Molti di questi dati potrebbero essere disponibili sul display del pannello di controllo del refrigeratore. È inoltre utile per l'operatore che queste informazioni siano disponibili nel sistema di controllo dell'impianto di refrigerazione e presentate in un formato chiaro.

Oltre allo stato attuale, le informazioni operative storiche sono preziose per mantenere l'apparecchiatura operativa alla massima efficienza e per identificare le tendenze operative che segnalano problemi imminenti o un calo delle prestazioni del sistema. Ad esempio, la temperatura di avvicinamento al condensatore è la differenza di temperatura tra l'acqua in uscita dal condensatore e il refrigerante all'interno del condensatore. Se si è verificato un problema con il trattamento dell'acqua nella torre di raffreddamento, è possibile che si formino incrostazioni all'interno dei tubi del condensatore del refrigeratore. Ciò farà aumentare la differenza tra la temperatura dell'acqua del condensatore e quella del refrigerante, riducendo l'efficienza del refrigeratore. Notando un aumento di questa temperatura di approccio, l'operatore può programmare la pulizia dei tubi del condensatore. Monitorando le tendenze del sistema e delle apparecchiature, l'operatore ha la possibilità di risolvere problemi minori prima che causino problemi operativi.

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Libri Trane sulla clinica del condizionamento dell'aria