I sistemi a flusso di refrigerante variabile (VRF) variano il flusso di refrigerante alle unità interne in base alla domanda. Questa capacità di controllare la quantità di refrigerante fornita ai ventilconvettori situati in un edificio rende la tecnologia VRF ideale per applicazioni con carichi variabili o dove è richiesta la suddivisione in zone.
I sistemi VRF sono disponibili sia come sistemi a pompa di calore che come sistemi di recupero del calore per quelle applicazioni in cui è richiesto il riscaldamento e il raffreddamento simultanei. Oltre a fornire un comfort superiore, i sistemi VRF offrono flessibilità di progettazione, risparmio energetico e installazione conveniente.
TECNOLOGIA VRF
In un sistema VRF, più ventilconvettori interni possono essere collegati a un'unità esterna. L'unità esterna ha uno o più compressori azionati da inverter, quindi la loro velocità può essere variata modificando la frequenza di alimentazione del compressore. Quando la velocità del compressore cambia, cambia anche la quantità di refrigerante erogata dal compressore.
Ciascun ventilconvettore interno dispone di un proprio dispositivo di contabilizzazione controllato dall'unità interna stessa o dall'unità esterna. Poiché ciascuna unità interna invia una richiesta all'unità esterna, l'unità esterna fornisce la quantità di refrigerante necessaria per soddisfare i requisiti individuali di ciascuna unità interna (Fig. sopra).
Queste caratteristiche rendono il sistema VRF ideale per tutte le applicazioni che hanno requisiti di carico parziale basati sull'uso o sull'orientamento dell'edificio, nonché per le applicazioni che richiedono la suddivisione in zone.
VANTAGGI DI UN SISTEMA VRF
Controllo significa comfort
La chiave per garantire il comfort è fornire riscaldamento o raffrescamento quando e dove è necessario senza sbalzi di temperatura ambiente.
Nei sistemi convenzionali, il compressore è acceso o spento, quindi anche gli spazi con controlli individuali subiscono fluttuazioni della temperatura ambiente quando il compressore si arresta e poi si riavvia per mantenere l'impostazione del termostato (Fig. sotto).
In un sistema VRF, poiché la velocità del compressore può essere variata, il compressore non si accende e si spegne, ma funziona continuamente per periodi più lunghi (Fig. sotto). Il flusso di refrigerante richiesto viene fornito al ventilconvettore interno e, una volta raggiunto il set point, il flusso di refrigerante viene regolato per mantenere la temperatura ambiente uniformemente senza fluttuazioni.
Oltre ad avere punti di regolazione distinti, le velocità del ventilatore dell'unità interna e le posizioni delle feritoie possono essere modificate per fornire ulteriore comfort nello spazio.
Flessibilità di progettazione
Uno dei principali vantaggi di un sistema VRF è la flessibilità fornita dalla diversità dell'offerta di prodotti. Sono disponibili diversi tipi e dimensioni di ventilconvettori per adattarsi a qualsiasi applicazione.
La figura seguente mostra un esempio di suddivisione in zone per un sistema VRF, che combina unità esterne, ventilconvettori a cassetta a 4 vie e ventilconvettori a parete alta per creare condizioni confortevoli per usi diversi di 15 spazi diversi all'interno dello stesso edificio.
Quando si seleziona un sistema VRF, tenere presente che non tutti i sistemi hanno le stesse capacità di tubazioni. I sistemi che offrono capacità di tubazioni estese massimizzeranno la flessibilità applicativa fornita dalla tecnologia VRF. Considerazioni importanti quando si esaminano le capacità delle tubazioni sono:
- 1) il dislivello massimo consentito tra le unità interne più alte e più basse su un singolo sistema e
- 2) la distanza consentita dall'unità esterna al ventilconvettore più lontano dell'impianto
Installazione conveniente
A seconda dell'applicazione, l'installazione di un sistema VRF può essere un'alternativa conveniente ai sistemi tradizionali che richiedono tubazioni o tubazioni di grandi dimensioni e pompe e caldaie nel caso di sistemi ad acqua refrigerata.
Le unità esterne sono leggere e hanno un ingombro ridotto. Ciò significa che si adatteranno a un ascensore di servizio, quindi non è necessaria alcuna gru per il sollevamento su un'installazione sul tetto. In alcuni casi, è possibile ottenere risparmi sul costo totale di costruzione poiché l'unità leggera significa che non è necessaria un'ulteriore struttura di supporto nel tetto.
Risparmio energetico
Tutti i sistemi VRF consentono di risparmiare energia variando la velocità del compressore e adattando l'uscita del sistema il più vicino possibile al carico. Inoltre, i sistemi VRF non subiscono le stesse perdite di energia dei sistemi che spostano l'aria condizionata attraverso i condotti.
Tuttavia, le differenze nel design delle unità esterne disponibili influenzeranno il livello di efficienza raggiunto.
CONFRONTO DEI SISTEMI VRF
I sistemi VRF oggi disponibili sul mercato si differenziano per numero e tipologia di compressori.
I 3 tipi di unità che verranno confrontati qui sono:
- Compressore singolo a velocità variabile
- Compressore a velocità variabile più compressore a velocità fissa
- Più compressori a velocità variabile
Compressore singolo a velocità variabile
In questo sistema con un unico compressore scroll di grande capacità, lo stesso compressore si avvia e funziona quando c'è richiesta e non è disponibile alcuna ridondanza in caso di guasto del compressore.
Compressore a velocità variabile più compressore a velocità fissa
In questo sistema a due compressori, il compressore azionato da inverter si avvia sempre e accelera fino a raggiungere la sua capacità massima, momento in cui si avvia il compressore a velocità fissa e il compressore azionato da inverter decelera. Questo sistema fornisce funzionalità di backup.
Più compressori a velocità variabile
Le unità esterne con più compressori Twin Rotary Scroll azionati da inverter, come mostrato nella figura sottostante, offrono la serie più completa di vantaggi ottenibili con un sistema VRF.
Il sistema con 3 compressori pilotati da inverter offre anche una maggiore capacità di back-up. Se uno dei compressori si guasta, il sistema continuerà a funzionare al 67% della sua capacità originale e il comfort verrà mantenuto nello spazio climatizzato fino a quando il compressore difettoso non potrà essere sostituito.
La sequenza di avviamento dei compressori è ruotata, uniformando il loro tempo di funzionamento e riducendo così al minimo il funzionamento in eccesso di un singolo compressore.
I compressori multipli azionati da inverter consentono all'unità di fornire migliori prestazioni a carico parziale senza la necessità di utilizzare il bypass del gas caldo. In condizioni di basso carico, il sistema ha il vantaggio di far funzionare solo tanti compressori alla velocità necessaria per raggiungere la capacità necessaria a soddisfare il carico e mantenere il comfort all'interno dello spazio condizionato.
La figura seguente confronta lo stato operativo delle unità esterne quando si verificano cambiamenti nei carichi di condizionamento dell'aria. Con più compressori azionati da inverter, è possibile ottenere una migliore corrispondenza tra il carico nell'ambiente e l'uscita del compressore; il sistema non disperde energia generando capacità extra e allo stesso tempo offre un maggiore comfort eliminando le fluttuazioni della temperatura ambiente.
Compressore Twin Rotary vs Compressore Scroll
Come notato in precedenza, i due tipi di compressori utilizzati nelle unità esterne VRF (Fig. sotto) forniscono diversi livelli di efficienza.
La figura seguente confronta l'efficienza di un compressore twin rotary con l'efficienza di un compressore scroll. La linea tratteggiata rappresenta il compressore scroll, che ha una scarsa efficienza alle basse e alte velocità. In contrasto è la linea continua che rappresenta il compressore twin rotary, che ha un'eccellente efficienza a tutte le velocità.
Le caratteristiche di progettazione di un tipico compressore rotativo creano un vantaggio rispetto al tipico compressore scroll richiedendo meno olio da pompare dal compressore al sistema refrigerante. La riduzione della quantità di olio che si muove attraverso il sistema refrigerante contribuisce all'efficienza del sistema a doppio compressore rotativo. La maggior parte dell'olio messo in circolazione dal compressore rotativo può essere ulteriormente isolata dall'unità esterna del sistema.
Ciò significa che una volta soddisfatta una zona, il dosatore può essere chiuso completamente, non lasciato parzialmente aperto per facilitare il ritorno dell'olio, come richiesto dai sistemi di compressori scroll. La chiusura del dispositivo di misurazione impedisce al refrigerante di circolare attraverso l'unità ed evita il raffreddamento eccessivo o il surriscaldamento dell'ambiente. Il risultato è un maggiore comfort e una maggiore efficienza.
CONSIDERAZIONI SUL DESIGN
Disposizione dello spazio
La progettazione di un sistema VRF inizia con la comprensione della disposizione dello spazio. È necessario considerare l'orientamento dell'edificio e le stagioni durante le quali si verificano picchi di carico. Il tipo di carico (riscaldamento o raffrescamento) e la distribuzione dei carichi nelle zone dipenderanno dalla destinazione d'uso dell'ambiente. A loro volta, questi fattori determineranno se un sistema a pompa di calore o un sistema a recupero di calore sarà la scelta più efficiente.
La figura seguente mostra una tipica disposizione dello spazio, con le zone specificate che richiedono riscaldamento o raffreddamento e il carico riflesso nelle dimensioni e nel tipo delle unità interne mostrate.
Tipo di impianto: recupero di calore o pompa di calore?
I sistemi a pompa di calore ea recupero di calore forniscono entrambi riscaldamento e raffrescamento. Un sistema a pompa di calore fornisce riscaldamento o raffrescamento a seconda delle esigenze.
Un sistema di recupero del calore è ideale quando è richiesto il riscaldamento e il raffreddamento simultanei. La massima efficienza si otterrà quando i carichi di riscaldamento e raffreddamento sono uguali, massimizzando la quantità di energia che può essere trasferita da una zona all'altra utilizzando il refrigerante, come mostrato nella Fig. sotto.
La figura seguente mostra il layout di un edificio con 6 zone. Un modo per soddisfare i requisiti di progettazione di questo edificio sarebbe installare 3 sistemi a pompa di calore come mostrato di seguito:
Sistema 1 – Zone A, C e D, che hanno profili simili per i requisiti di riscaldamento e raffreddamento
Sistema 2 – Zone E e F, che hanno profili simili per le esigenze di riscaldamento e raffrescamento
Sistema 3 – Zona B, che richiede il solo raffreddamento
In alternativa, potrebbe essere installato un sistema di recupero del calore più grande.
Per determinare la migliore scelta progettuale, è necessario completare un'analisi dell'efficienza e un confronto dei costi delle due opzioni. Inoltre, dovrebbe essere considerata la conseguenza di una maggiore quantità di refrigerante che circola attraverso il sistema più grande, poiché la quantità di refrigerante nel sistema ha implicazioni quando si tratta di soddisfare i requisiti di ASHRAE 15.
Dimensioni delle unità
La taglia delle unità selezionate deve essere considerata per l'impatto sulla progettazione dell'impianto; le unità più piccole forniranno flessibilità di suddivisione in zone e richiederanno meno tubazioni e meno refrigerante per sistema.
Configurazione delle tubazioni
Occorre considerare la flessibilità delle opzioni di tubazioni disponibili. Un sistema che offre più opzioni per la combinazione di giunti e collettori a forma di Y potrebbe ridurre al minimo la quantità di tubazioni e refrigerante utilizzato, riducendo così il costo totale del lavoro.
CONCLUSIONE
Un sistema VRF offre un'installazione flessibile e un comfort di raffreddamento e riscaldamento a risparmio energetico e dovrebbe essere considerato un'alternativa ai sistemi tradizionali per quelle applicazioni in cui è richiesta la suddivisione in zone o il funzionamento a carico parziale.
Carrier Corporation Siracusa, New York
