Un impianto di riscaldamento e raffreddamento a 4 tubi contiene sia apparecchiature di riscaldamento che di raffreddamento centralizzate ed è in grado di fornire contemporaneamente acqua di riscaldamento e acqua refrigerata all'edificio attraverso quattro tubi (una fornitura di acqua di riscaldamento, una di ritorno dell'acqua di riscaldamento, una di fornitura di acqua refrigerata e una di ritorno acqua refrigerata). Le apparecchiature di riscaldamento e raffreddamento all'interno dell'edificio collegate a un sistema a 4 tubi avranno quattro collegamenti per tubi, a meno che l'apparecchiatura non fornisca solo riscaldamento o solo raffreddamento. In questo caso l'apparecchiatura avrebbe solo due attacchi per tubi.
La figura sopra mostra un diagramma schematico delle tubazioni per un impianto di riscaldamento e raffreddamento a 4 tubi che utilizza due caldaie a condensazione ad acqua calda e due refrigeratori raffreddati ad acqua. La disposizione di pompaggio è primaria-secondaria sia per il sistema dell'acqua di riscaldamento che per quello dell'acqua refrigerata. Sia il sistema di riscaldamento che quello di acqua refrigerata sono sistemi a portata variabile con azionamenti a frequenza variabile che controllano la velocità delle pompe del sistema di riscaldamento (secondario) e di acqua refrigerata. Una delle due pompe mostrate per le pompe del sistema 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 automatica sono progettate per i collegamenti delle tubazioni di alimentazione, ritorno e equalizzazione dell'acqua del condensatore per isolare la torre di raffreddamento inattiva quando è in funzione un solo refrigeratore.
Un impianto di riscaldamento e raffreddamento a 2 tubi contiene sia apparecchiature di riscaldamento che di raffreddamento centralizzate, ma non è in grado di fornire contemporaneamente acqua di riscaldamento e acqua refrigerata all'edificio. Funziona sia in modalità riscaldamento che in modalità raffreddamento e fornisce acqua di riscaldamento o acqua refrigerata attraverso due tubi (uno di mandata dell'acqua a doppia temperatura e l'altro di ritorno dell'acqua a doppia temperatura) all'edificio. Le apparecchiature di riscaldamento e raffreddamento all'interno dell'edificio 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 raffreddamento a 2 tubi che utilizza due caldaie a condensazione per acqua calda e un refrigeratore ad acqua refrigerata. 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 del sistema idrico a doppia temperatura sono a velocità costante e funzionano come pompe secondarie.
Una delle due pompe mostrate per le pompe del sistema dell'acqua a doppia temperatura e le pompe dell'acqua del condensatore è una pompa di riserva.
Nella modalità di raffreddamento, l'impianto funziona principalmente con un sistema di pompaggio. In questa disposizione, il sistema dell'acqua a doppia temperatura deve essere un sistema a flusso costante per mantenere un flusso d'acqua costante attraverso il refrigeratore durante il funzionamento di raffreddamento. Se fosse progettata una pompa primaria 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 (secondarie) a doppia temperatura.
considerazioni sul design
Le considerazioni sulla progettazione per gli impianti di riscaldamento e raffreddamento a 4 e 2 tubi sono le seguenti:
È prassi comune progettare la ridondanza per le apparecchiature degli impianti di riscaldamento (come caldaie e pompe) poiché potrebbe verificarsi il congelamento dell'edificio in caso di perdita dell'impianto di riscaldamento. D’altro canto, non è comune progettare la ridondanza per le apparecchiature nei sistemi di raffreddamento (come refrigeratori e pompe) perché il raffreddamento comfort generalmente non è 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 necessaria una certa ridondanza nelle caldaie, è normale che ciascuna delle due caldaie in un sistema a 4 o 2 tubi sia dimensionata per due terzi del carico di riscaldamento di picco dell'edificio. Ciò fornisce una ridondanza del 67% per mantenere la temperatura dell'edificio al di sopra dello zero in caso di guasto di una caldaia.
Per i sistemi di piccole dimensioni, è prassi comune utilizzare un sistema di pompaggio solo primario a flusso costante. Tuttavia, per i sistemi più grandi (dove l'energia di pompaggio è significativa), si consiglia un sistema di pompaggio primario-secondario poiché il flusso del sistema (o secondario) può essere variato per ridurre il consumo di energia 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. Il risparmio energetico si ottiene 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 deve essere dimensionato per l'intero flusso secondario e deve avere una lunghezza massima di 10 diametri di tubo per ridurre qualsiasi miscelazione indesiderata e mantenere la perdita di pressione attraverso questo tubo al minimo assoluto.
È prassi comune fornire una ridondanza completa per la pompa del sistema (o 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 sarà disponibile in standby nel caso in cui la pompa principale dovesse guastarsi.
Un sistema di pompaggio primario-secondario viene quasi sempre utilizzato per le caldaie ad alta efficienza (a condensazione) a causa della loro necessità di un flusso d'acqua costante. Alcune caldaie ad alta efficienza 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 a flusso variabile, solo primario.
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 dell'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 fornitura dell'acqua di riscaldamento di 180°F quando la temperatura esterna è 0°F.
- Temperatura di fornitura 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°F mentre la temperatura esterna varia tra 0 e 50°F.
Tuttavia, come accennato in precedenza, le caldaie senza condensazione devono mantenere una temperatura dell'acqua di ritorno minima di 140°F; pertanto non sarebbe possibile ottenere il programma di ripristino sopra elencato reimpostando la temperatura di mandata dell'acqua di riscaldamento dalle caldaie. Pertanto, è necessaria l'aggiunta di una valvola miscelatrice a 3 vie per miscelare il ritorno dell'acqua di riscaldamento con la mandata dell'acqua di riscaldamento 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 fornitura dell'acqua di riscaldamento di 140°F quando la temperatura esterna è 0°F.
- Temperatura di fornitura 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°F mentre la temperatura esterna varia tra 0 e 50°F.
Il ripristino della temperatura dell'acqua di riscaldamento si ottiene con le caldaie a condensazione semplicemente reimpostando la temperatura di mandata dell'acqua di riscaldamento dalle caldaie in base alla temperatura esterna. Come accennato in precedenza, l’efficienza delle caldaie a condensazione aumenta al diminuire della temperatura dell’acqua di ritorno.
È preferibile utilizzare per l'impianto centrale gli stessi criteri di dimensionamento dei tubi utilizzati per il sistema di distribuzione.
Il gruppo dell'acqua di reintegro per tutti i sistemi chiusi è costituito da un dispositivo di prevenzione del riflusso, una valvola di riduzione della pressione e valvole di intercettazione.
La caldaia deve essere installata nel punto di minima pressione sviluppata dalla pompa dell'impianto acqua 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 celle multiple) 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 dell'acqua del condensatore, a condizione che i sistemi richiedano la stessa portata d'acqua e siano installate valvole appropriate per isolare le pompe.
Per gli impianti di raffreddamento centralizzati dotati di un solo refrigeratore e di una torre di raffreddamento, è possibile che una terza pompa funzioni come pompa di riserva sia per il sistema dell'acqua refrigerata che per quello dell'acqua del condensatore, a condizione che la pompa abbia un punto di funzionamento adeguato per entrambi i sistemi.
Uno dei principali svantaggi dei sistemi di riscaldamento e raffreddamento a 2 tubi è il tempo necessario per effettuare il passaggio dal funzionamento in riscaldamento a quello in raffreddamento nella primavera di ogni anno, poiché i refrigeratori generalmente non possono tollerare una temperatura dell'acqua in ingresso nell'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 caldaie senza condensazione) a 70 °F prima che l'acqua a doppia temperatura possa circolare attraverso l'evaporatore del refrigeratore e si possa produrre acqua refrigerata.
Il problema è che quando l’edificio richiede raffreddamento, non c’è richiesta di calore. Pertanto, l’acqua calda nel sistema idrico a doppia temperatura non ha modo di respingere il proprio calore. Il circuito dell'acqua a doppia temperatura deve raffreddarsi a causa delle perdite di calore dalle tubazioni isolate dell'acqua a doppia temperatura, che possono 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 formato può essere notevolmente ridotto incorporando un sistema di raffreddamento dell'acqua a doppia temperatura. Questo sistema utilizza la torre di raffreddamento come fonte di smaltimento del calore per il sistema dell'acqua a doppia temperatura quando è in modalità riscaldamento. Per realizzare questa modalità di funzionamento, i cui dettagli esulano dallo scopo di questo libro, è necessaria l'aggiunta di uno scambiatore di calore a piastre e telaio, di valvole deviatrici a 3 vie e di controlli.
HVAC Design Sourcebook - W. Larsen Angel, PE, LEED AP, è un dirigente della società di ingegneria di consulenza MEP Green Building Energy Engineers
FREQUENTLY ASKED QUESTIONS
Pipe sizing for a 4-pipe system depends on factors such as the flow rate, pressure drop, and temperature differences between the supply and return lines. A thorough analysis of the building’s heating and cooling loads, as well as the equipment’s specifications, is necessary to determine the appropriate pipe sizes. It’s recommended to consult with a mechanical engineer or use industry-standard pipe sizing software to ensure accurate calculations.
Yes, a 4-pipe system is well-suited for buildings with multiple temperature zones, such as offices, hospitals, or universities. By providing both heating and cooling simultaneously, the system can cater to different temperature requirements in various zones. This is particularly useful in buildings with areas that require constant cooling, such as data centers or laboratories, while other areas may require heating.
2-pipe systems are often used in buildings with simpler heating and cooling requirements, such as residential buildings, small offices, or retail spaces. They are also suitable for buildings with limited space or budget constraints, as they require less piping and equipment compared to 4-pipe systems. Additionally, 2-pipe systems can be used in buildings with a dominant heating or cooling load, where simultaneous heating and cooling is not necessary.
Proper balancing and control of a 4-pipe system require careful consideration of factors such as flow rates, pressure drops, and temperature differences. It’s essential to install balancing valves, flow meters, and temperature sensors to monitor and control the system’s performance. Additionally, implementing a building management system (BMS) or a dedicated HVAC control system can help optimize the system’s operation and ensure efficient energy use.
Regular maintenance is crucial to ensure the reliability and efficiency of a 4-pipe system. This includes tasks such as cleaning and inspecting the pipes, checking and replacing air vents and strainers, and performing routine maintenance on the heating and cooling equipment. It’s also essential to monitor the system’s performance and address any issues promptly to prevent downtime and energy waste. A preventive maintenance schedule should be established and followed to ensure the system operates at peak efficiency.
