Un impianto di riscaldamento e raffrescamento a 4 tubi contiene sia apparecchiature di riscaldamento che di raffrescamento ed è in grado di fornire acqua di riscaldamento e acqua refrigerata all'edificio contemporaneamente attraverso quattro tubi (una mandata dell'acqua di riscaldamento, una di ritorno dell'acqua di riscaldamento, una fornitura di acqua refrigerata e una ritorno acqua refrigerata). Le apparecchiature di riscaldamento e raffreddamento all'interno dell'edificio collegato a un sistema a 4 tubi avranno connessioni a quattro tubi, a meno che l'apparecchiatura non fornisca solo riscaldamento o solo raffreddamento. In questo caso, l'apparecchiatura avrebbe solo due collegamenti dei tubi.
La figura sopra è un diagramma schematico delle tubazioni per un impianto di riscaldamento e raffreddamento a 4 tubi che utilizza due caldaie ad acqua calda a condensazione e due refrigeratori raffreddati ad acqua. Il sistema di pompaggio è primario-secondario sia per l'impianto ad acqua di riscaldamento che per quello ad acqua refrigerata. Sia il sistema di riscaldamento che quello ad acqua refrigerata sono sistemi a portata variabile con azionamenti a frequenza variabile che controllano la velocità delle pompe del sistema di riscaldamento (secondario) e dell'acqua refrigerata. Una delle due pompe mostrate per le pompe dell'impianto di riscaldamento e dell'acqua refrigerata e una delle pompe dell'acqua del condensatore è una pompa di riserva. A ciascun refrigeratore sono dedicate una pompa dell'acqua del condensatore e una torre di raffreddamento separate. Le valvole di intercettazione automatiche sono progettate per l'alimentazione dell'acqua del condensatore, il ritorno e le connessioni delle tubazioni dell'equalizzatore per isolare la torre di raffreddamento inattiva quando è in funzione un solo refrigeratore.
Un impianto di riscaldamento e raffrescamento a 2 tubi contiene sia apparecchiature di riscaldamento centralizzato che di raffreddamento, ma non è in grado di fornire contemporaneamente acqua di riscaldamento e acqua refrigerata all'edificio. Funziona in modalità di riscaldamento o in modalità di raffreddamento e fornisce acqua di riscaldamento o acqua refrigerata attraverso due tubi (uno di mandata dell'acqua a doppia temperatura e uno di ritorno dell'acqua a doppia temperatura) all'edificio. Le apparecchiature di riscaldamento e raffrescamento all'interno dell'edificio che sono collegate a un sistema a 2 tubi avranno due collegamenti per tubi.
La figura sopra è un diagramma schematico delle tubazioni per un impianto di riscaldamento e raffrescamento a 2 tubi che utilizza due caldaie ad acqua calda a condensazione e un refrigeratore d'acqua raffreddato. Il sistema di pompaggio quando l'impianto funziona in modalità riscaldamento è un sistema di pompaggio primario-secondario con una pompa primaria dedicata a ciascuna caldaia per garantire un flusso costante di acqua attraverso ciascuna caldaia a condensazione. Le pompe dell'impianto idrico a doppia temperatura sono a velocità costante e funzionano come pompe secondarie.
Una delle due pompe mostrate per le pompe del sistema idrico a doppia temperatura e le pompe dell'acqua del condensatore è una pompa di riserva.
Nella modalità di raffreddamento, l'impianto funziona in un sistema di pompaggio primario. In questa disposizione, il sistema dell'acqua a doppia temperatura deve essere un sistema a portata costante per mantenere un flusso d'acqua costante attraverso il refrigeratore durante l'operazione di raffreddamento. Se una pompa primaria fosse progettata per il refrigeratore, il sistema dell'acqua a doppia temperatura potrebbe essere un sistema a flusso variabile con azionamenti a frequenza variabile che controllano la velocità delle pompe dell'acqua a doppia temperatura (secondarie).
considerazioni sul design
Le considerazioni progettuali per gli impianti di riscaldamento e raffrescamento a 4 e 2 tubi sono le seguenti:
È comune progettare la ridondanza per le apparecchiature negli impianti di riscaldamento (come caldaie e pompe) perché potrebbe verificarsi il congelamento dell'edificio in caso di perdita dell'impianto di riscaldamento. D'altra parte, non è comune progettare la ridondanza per le apparecchiature nei sistemi di raffreddamento (come refrigeratori e pompe) perché il comfort di raffreddamento non è generalmente considerato critico. Tuttavia, i sistemi di raffreddamento che svolgono funzioni critiche, come computer o strutture sanitarie, possono richiedere apparecchiature di raffreddamento ridondanti.
Poiché normalmente è richiesta una certa ridondanza nelle caldaie, è comune che ciascuna delle due caldaie in un sistema a 4 tubi oa 2 tubi sia dimensionata per i due terzi del carico termico di punta dell'edificio. Ciò fornisce una ridondanza del 67% per mantenere la temperatura dell'edificio sopra lo zero in caso di guasto di una caldaia.
Per i piccoli sistemi, è comune utilizzare un sistema di pompaggio primario a portata costante. Tuttavia, per i sistemi più grandi (dove l'energia di pompaggio è significativa), si consiglia un sistema di pompaggio primario-secondario perché il flusso del sistema (o secondario) può essere variato per ridurre il consumo energetico della pompa secondaria. In un sistema di pompaggio primario-secondario, ogni componente dell'apparecchiatura primaria, come una caldaia o un refrigeratore, ha una pompa primaria dedicata. I risparmi energetici si ottengono anche con i sistemi di pompaggio primario-secondario attivando l'apparecchiatura primaria (e le pompe associate) in risposta al carico del sistema.
Le figure sopra illustrano un sistema di pompaggio solo primario a flusso costante e un sistema di pompaggio primario-secondario. Si noti che un sistema di pompaggio primario-secondario richiede un tubo comune che unisca i circuiti di pompaggio primario e secondario. Il tubo comune dovrebbe essere dimensionato per l'intero flusso secondario e dovrebbe avere una lunghezza massima di 10 diametri di tubo per ridurre qualsiasi miscelazione indesiderata e ridurre al minimo assoluto la perdita di pressione attraverso questo tubo.
È comune fornire una ridondanza completa per la pompa del sistema (o la pompa secondaria in un sistema di pompaggio primario-secondario) progettando due pompe, ciascuna dimensionata per far circolare l'intero flusso. Una pompa sarà sempre in funzione mentre l'altra pompa è disponibile in standby in caso di guasto della pompa primaria.
Un sistema di pompaggio primario-secondario è quasi sempre utilizzato per le caldaie ad alto rendimento (a condensazione) a causa della loro necessità di portata d'acqua costante. Alcune caldaie ad alto rendimento sono dotate di pompe primarie installate all'interno delle caldaie stesse per garantire che gli scambiatori di calore ricevano la portata d'acqua minima richiesta. Come accennato in precedenza in questo capitolo, alcune caldaie a condensazione non necessitano più di una portata minima per il corretto funzionamento. Di conseguenza, queste caldaie possono essere collegate a un sistema di riscaldamento dell'acqua che utilizza un sistema di pompaggio primario a portata variabile.
Una strategia di controllo comune per i sistemi di riscaldamento dell'acqua consiste nel reimpostare la temperatura dell'acqua di riscaldamento fornita alle apparecchiature di riscaldamento nell'edificio in base alla temperatura esterna. Questa strategia consente un migliore controllo della temperatura ambiente e riduce anche la perdita di calore dal sistema di tubazioni dell'acqua di riscaldamento durante il funzionamento a carico parziale.
Un programma comune di ripristino dell'acqua di riscaldamento per le caldaie senza condensa è il seguente:
- Temperatura di mandata dell'acqua di riscaldamento di 180°F quando la temperatura esterna è di 0°F.
- Temperatura di mandata dell'acqua di riscaldamento di 140°F quando la temperatura esterna è di 50°F.
La temperatura di mandata dell'acqua di riscaldamento varia proporzionalmente tra 180 e 140°C mentre la temperatura esterna varia tra 0 e 50°C.
Tuttavia, come accennato in precedenza, le caldaie senza condensa devono mantenere una temperatura minima dell'acqua di ritorno di 140 ° F; quindi non sarebbe possibile realizzare il programma di riarmo sopra elencato reimpostando la temperatura di mandata dell'acqua di riscaldamento dalle caldaie. Pertanto, l'aggiunta di una valvola miscelatrice a 3 vie per miscelare il ritorno dell'acqua di riscaldamento con la mandata dell'acqua di riscaldamento è necessaria per reimpostare la temperatura di mandata dell'acqua di riscaldamento in base alla temperatura esterna.
Un programma comune di ripristino dell'acqua di riscaldamento per le caldaie a condensazione è il seguente:
- Temperatura di mandata dell'acqua di riscaldamento di 140°F quando la temperatura esterna è di 0°F.
- Temperatura di mandata dell'acqua di riscaldamento di 90°F quando la temperatura esterna è di 50°F.
La temperatura di mandata dell'acqua di riscaldamento varia proporzionalmente tra 140 e 90°C mentre la temperatura esterna varia tra 0 e 50°C.
Il ripristino della temperatura dell'acqua di riscaldamento si ottiene con le caldaie a condensazione semplicemente ripristinando la temperatura di mandata dell'acqua di riscaldamento dalle caldaie in base alla temperatura esterna. Come accennato in precedenza, il rendimento delle caldaie a condensazione aumenta al diminuire della temperatura dell'acqua di ritorno.
È preferibile utilizzare gli stessi criteri di dimensionamento dei tubi per l'impianto centrale utilizzato per il sistema di distribuzione.
Il gruppo dell'acqua di reintegro per tutti i sistemi chiusi è costituito da un disconnettore, una valvola di riduzione della pressione e valvole di intercettazione.
La caldaia dovrebbe essere installata nel punto di minima pressione sviluppata dalla pompa dell'impianto di riscaldamento (lato aspirazione della pompa) per i motivi discussi in precedenza.
Per gli impianti di raffreddamento costituiti da più refrigeratori raffreddati ad acqua, è normale che ciascun refrigeratore abbia una torre di raffreddamento dedicata (o una cella della torre di raffreddamento all'interno di una torre di raffreddamento a più celle) e una pompa dell'acqua del condensatore dedicata. Una pompa dell'acqua del condensatore aggiuntiva può fungere da pompa di riserva per ogni due sistemi idrici del condensatore, a condizione che i sistemi richiedano la stessa portata d'acqua e che siano installate valvole appropriate per isolare le pompe.
Per gli impianti di raffreddamento centralizzati con un solo refrigeratore e una torre di raffreddamento, è possibile che una terza pompa funzioni come pompa di riserva per entrambi i sistemi ad acqua refrigerata e ad acqua del condensatore, a condizione che la pompa abbia un punto di funzionamento adatto per entrambi i sistemi.
Uno dei principali svantaggi dei sistemi di riscaldamento e raffrescamento a 2 tubi è il tempo necessario per eseguire il passaggio dal funzionamento di riscaldamento al funzionamento di raffreddamento nella primavera di ogni anno, poiché i refrigeratori generalmente non possono tollerare una temperatura dell'acqua in ingresso all'evaporatore superiore a 70 °C. °F. Pertanto, il circuito dell'acqua a doppia temperatura deve raffreddarsi da una temperatura dell'acqua di riscaldamento di almeno 140°F (per le caldaie senza condensa) a 70°F prima che l'acqua a doppia temperatura possa circolare attraverso l'evaporatore del refrigeratore e possa essere prodotta acqua refrigerata.
Il problema è che quando l'edificio richiede il raffreddamento, non c'è richiesta di calore. Pertanto, non c'è modo per l'acqua calda nel sistema idrico a doppia temperatura di respingere il suo calore. Il circuito dell'acqua a doppia temperatura deve raffreddarsi a causa delle perdite di calore dalle tubazioni dell'acqua a doppia temperatura isolate, operazione che può richiedere fino a 2 o 3 giorni, a seconda delle dimensioni del sistema.
Una soluzione a questo problema è disponibile se i refrigeratori sono raffreddati ad acqua. Il tempo di cambio può essere notevolmente ridotto attraverso l'incorporazione di un sistema di raffreddamento ad acqua a doppia temperatura. Questo sistema utilizza la torre di raffreddamento come fonte di espulsione del calore per il sistema idrico a doppia temperatura quando è in modalità riscaldamento. L'aggiunta di uno scambiatore di calore a piastre e telaio, valvole deviatrici a 3 vie e controlli è necessaria per realizzare questa modalità di funzionamento, i cui dettagli esulano dallo scopo di questo libro.
HVAC Design Sourcebook - W. Larsen Angel, PE, LEED AP, è un dirigente della società di ingegneria di consulenza MEP Green Building Energy Engineers
