Risparmio energetico del ReFreeX in diverse località geografiche
Quale risparmio energetico possiamo attenderci da un impianto frigorifero ReFreeX rispetto a un impianto tradizionale con termostatica meccanica e sbrinamento elettrico?
Questa domanda l’ha posta alcuni giorni fa un valente frigorista della provincia di Napoli, a seguito di una richiesta di un suo cliente della provincia di Salerno, presso il quale aveva installato cinque impianti ReFreeX da 30 hp, al servizio di celle in bassa temperatura.
La domanda è semplice, ma la risposta precisa lo è meno, come si vedrà.
Per assegnarle un significato ben definito, la domanda è riformulata come segue.
Siano dati due magazzini identici, all’interno dei quali siano ospitate due celle identiche, soggette allo stesso carico di lavoro, dotate di impianti, che differiscano tra loro solo per il fatto che adottano la tecnologia ReFreeX nel primo magazzino e la tradizionale nel secondo. Siano entrambi i magazzini esposti alle stesse condizioni climatiche. Quale risparmio si ottiene con gli impianti ReFreeX?
Viste le premesse, il risultato dipenderà dalle condizioni climatiche, dal magazzino, dalla cella, dall’utilizzo della stessa, dall’impianto esaminato.
Metodo dei data bin
Un suggerimento per il metodo di calcolo adeguato è fornito nel capitolo 32 del manuale ASHRAE 2005–Fundamentals.
Gli impianti frigoriferi hanno un’efficienza variabile con le condizioni climatiche esterne; quando la temperatura esterna cala, così pure fa la temperatura di condensazione, con aumento dell’efficienza dell’impianto.
Per questo di tipo di analisi occorre adottare il bin method, in cui le temperature esterne annue sono suddivise in intervalli, i cosiddetti bin.
Si specificano il numero di ore annue in cui la temperatura esterna si mantiene all’interno di ciascun bin; numero che andrà a moltiplicare il consumo istantaneo calcolato per quel bin, per poi essere sommato su tutti i bin.
A titolo di confronto, il metodo semplificato di adottare esclusivamente la temperatura media annua conduce a un errore di stima del risparmio energetico fino al 2%.
Strumento di calcolo
I calcoli che seguono sono stati eseguiti all’interno di Microsoft Excel. Alcune equazioni sono state risolte mediante codice VBA (Visual Basic for Application), creato allo scopo, quindi verificate mediante formule di Excel senza codice VBA, per maggior sicurezza.
Condizioni climatiche
Il dipartimento statunitense per l’energia mette a disposizione gratuitamente dati climatici storici di varie località sparse per il mondo.
I dati, raccolti in formato epw, sono stati letti e elaborati per questo post mediante il software gratuito DView 1.25, da cui sono stati esportati i data bin in formato testo, per la lettura in Excel.
Temperature all’interno dell’edificio che ospita la cella
Qui iniziano le dolenti note. Chi si occupa di impianti frigoriferi può passare l’intera carriera a elaborare bilanci termici per eccesso. Installare 100 cavalli di potenza, laddove 90 sono sufficienti, non è considerato un errore: è semplicemente un margine di sicurezza.
Per lo scopo del presente articolo, invece, una stima per eccesso costituisce errore, tanto quanto una stima per difetto. Siamo in un campo minato, ove chi scrive non ha alcuna pratica.
Gioco forza, una qualche stima va assunta; per cui si procede come segue.
La temperatura del suolo sottostante la cella è presunta coincidere con la temperatura esterna media annua della località.
La temperatura dell’aria che lambisce le pareti esterne della cella, all’interno dell’edificio, è stimata mediante metodi d’interpolazione riservati di chi scrive, nel rispetto del vincolo di crescere al crescere della temperatura esterna, mantenendosi sempre, algebricamente, tra la temperatura esterna e quella del suolo. Si presume inoltre che l’edificio sia eventualmente riscaldato per non finire mai al di sotto di 0 °C.
La temperatura dell’aria che lambisce il soffitto esterno della cella, all’interno dell’edificio, è stimata in eccesso della temperatura dell’aria lambente le pareti.
Il metodo di calcolo non è pubblico, ma un estratto dei risultati ottenuti sono qui riportati.
| Esterno | Media | Parete | Soffitto | Media | Parete | Soffitto | Media | Parete | Soffitto | |||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| -30 | 5.0 | 0.0 | 2.0 | 15.0 | 0.0 | 3.0 | 25.0 | 0.0 | 4.0 | |||
| -20 | 5.0 | 0.0 | 2.0 | 15.0 | 0.0 | 3.0 | 25.0 | 2.5 | 6.5 | |||
| -10 | 5.0 | 0.0 | 2.0 | 15.0 | 2.5 | 5.5 | 25.0 | 7.5 | 11.5 | |||
| 0 | 5.0 | 3.0 | 5.0 | 15.0 | 7.5 | 10.5 | 25.0 | 12.5 | 16.5 | |||
| 10 | 5.0 | 8.0 | 12.0 | 15.0 | 12.5 | 15.5 | 25.0 | 17.5 | 21.5 | |||
| 20 | 5.0 | 14.0 | 18.0 | 15.0 | 19.0 | 24.0 | 25.0 | 22.5 | 26.5 | |||
| 30 | 5.0 | 20.0 | 24.0 | 15.0 | 27.0 | 32.0 | 25.0 | 29.0 | 35.0 | |||
| 40 | 5.0 | 26.0 | 30.0 | 15.0 | 35.0 | 40.0 | 25.0 | 37.0 | 43.0 |
Oltre agli errori derivanti dalla stima delle condizioni interne, si aggiunge qui una forzatura del modello idealizzato, che presume che le temperature interne si adeguino istantaneamente a quelle esterne.
Prestazioni del compressore
Si considera un compressore Bitzer modello 4GE-30Y, funzionante a R404A e R134a, rispettivamente, per le celle BT e le celle TN, con surriscaldamento di 5 K all’uscita dell’evaporatore, e sottoraffreddamento nullo all’uscita del condensatore.
I dati forniti dal software Bitzer v6.4.1, con resa e consumo, sono esportati in automatico in un file Excel, da cui sono copiati in una tabella all’interno del foglio di lavoro del file Excel, nel quale è svolto il calcolo.
Il campo di temperatura d’evaporazione è tra -25 e -43 °C, a intervalli di 3 K, per l’R404A; e tra -5 e -19 °C, a intervalli di 2 K, per l’R134a. Il campo di condensazione è tra -10 e +50 °C, a intervalli di 20 K, per l’R404A; e consiste nell’insieme dei valori {0 °C, 15 °C, 30 °C, 50 °C}, per l’R134a.
I dati nella condizione più bassa di condensazione non sono forniti dal software Bitzer, ma sono derivati mediante la libreria NIST REFPROP 9.1, imponendo la stessa portata in massa e la stessa efficienza isentropica dedotta dal COP fornito dal software Bitzer, alla più bassa temperatura di condensazione disponibile, a pari temperatura di evaporazione.
Alle condizioni di -37/+10 °C con R404A, ad esempio, il software Bitzer riporta 19637 W di resa e COP 2.50; da queste mediante libreria REFPROP si calcola una portata in massa di 519 kg/ ora e un’efficienza isentropica di 0.640; questo vincolo conduce a 23660 W di resa e un COP di 4.921, a -10 °C di condensazione. Per prudenza, nei calcoli con il REFPROP, è stato adottato un sottoraffreddamento di 0.1 K all’uscita del condensatore.
Nel campo delle due variabili, le prestazioni vengono approssimate mediante polinomi comprendenti tutti i termini di grado complessivo uguale o inferiore a tre, per un totale di dieci coefficienti (1+2+3+4).
I coefficienti sono calcolati mediante Excel per minimizzare i quadrati degli scarti relativi. Alle condizioni di minima condensazione è assegnato un peso dieci volte inferiore alle restanti condizioni. Si verifica che l’errore massimo dell’approssimazione per buona parte dei coefficienti non arrivi all’1%; in alcune condizioni estreme, non rilevanti per il calcolo, gli errori aumentano sino a quasi il 5%.
Prestazioni complessive dell’impianto frigorifero
Per uniformità, sono considerati un impianto ReFreeX e un impianto tradizionale aventi entrambi lo stesso compressore, condensatore, e evaporatore. Il ReFreeX è sbrinato a gas caldo, il tradizionale mediante resistenze elettriche. Il ReFreeX regola l’alimentazione di refrigerante all’evaporatore mediante valvola solenoide pulsante, il tradizionale mediante termostatica meccanica.
Le ventole del condensatore dell’impianto tradizionale sono regolate in modo da non scendere sotto i +38 °C di condensazione; quelle del ReFreeX sono regolate in modo da non scendere sotto i -20 °C per l’R404A e gli 0 ° C per l’R134a. Si presume una riduzione dei consumi delle ventole del condensatore proporzionale alla riduzione di resa.
La resa del condensatore, senza regolazione dei giri, è assunta proporzionale al salto termico tra l’aria in ingresso e la temperatura di condensazione, per semplicità presa al punto di rugiada.
La resa dell’evaporatore è assunta proporzionale al salto termico tra l’aria in ingresso e la temperatura di evaporazione, sempre al punto di rugiada.
Il surriscaldamento all’uscita dell’evaporatore è fisso a 5 K; il sottoraffreddamento all’uscita del condensatore è fisso a zero; le perdite di carico delle tubazioni sono trascurate.
Per ogni possibile condizione di temperatura dell’aria in ingresso al condensatore e all’evaporatore, vi è un unico punto possibile di equilibrio dell’impianto frigorifero, che determina le temperature di evaporazione e condensazione; il ReFreeX e il tradizionale differiscono, in quanto per quest’ultimo si impone il vincolo della condensazione non al di sotto dei 38 °C.
Dalle temperature di evaporazione e condensazione si determinano poi le prestazioni dell’impianto, derivate dalle prestazioni del compressore, combinate con i consumi di condensatore e evaporatore.
Ai fini del COP, qui definito come rapporto tra la capacità refrigerante e il consumo, come capacità refrigerante si prende quella nominale del compressore, nelle condizioni date d’evaporazione, condensazione, surriscaldamento, e sottoraffreddamento; per il consumo, invece, si somma il contributo del compressore, del condensatore, e dell’evaporatore durante la fase di refrigerazione, oltre a una percentuale fissa della capacità refrigerante dovuta allo sbrinamento, pari al 6% e al 12%, rispettivamente, per l’impianto ReFreeX e il tradizionale, tenendo conto dei differenti sistemi di sbrinamento.
I valori così determinati del COP, al variare delle condizioni esterne, sono riportati nella tabella di sotto, per il ReFreeX e per il tradizionale. A titolo di raffronto, si riportano anche i valori del COP del solo compressore.
| Temperatura | Impianto a R134a in cella 0 °C | Impianto a R404A in cella -25 °C | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| esterna | ReFreeX | Tradizionale | ReFreeX | Tradizionale | ||||
| in °C | COP mc | COP impianto | COP mc | COP impianto | COP mc | COP impianto | COP mc | COP impianto |
| -20 | 12.93 | 5.03 | 3.01 | 1.91 | 4.55 | 2.86 | 1.31 | 1.06 |
| -10 | 12.93 | 4.78 | 3.01 | 1.91 | 3.10 | 2.2 | 1.31 | 1.05 |
| 0 | 7.51 | 3.60 | 3.01 | 1.90 | 2.43 | 1.82 | 1.31 | 1.05 |
| 10 | 4.98 | 2.86 | 3.01 | 1.89 | 1.98 | 1.54 | 1.31 | 1.05 |
| 20 | 3.85 | 2.40 | 3.01 | 1.88 | 1.62 | 1.30 | 1.31 | 1.04 |
| 30 | 3.12 | 2.06 | 3.01 | 1.82 | 1.30 | 1.06 | 1.30 | 1.00 |
| 40 | 2.53 | 1.74 | 2.53 | 1.58 | 0.99 | 0.83 | 0.99 | 0.79 |
Va rilevato che i valori nominali della capacità frigorifera sono forniti, secondo tradizione, al lordo del calore generato dall’evaporatore a causa dei ventilatori e dello sbrinamento. Nel bilancio termico, questo contributo viene sommato ai rientri di calore, come se si trattasse di una variabile esterna. Il risultato finale è corretto; il metodo è giustificato da ragioni storiche.
Fabbisogno e consumo
Per il caso BT, si considera una cella per la conservazione di prodotti surgelati, di dimensioni interne di m 10.0 x 20.0 x 8.0 h, mantenuta a porte chiuse a -25 °C, servita da due impianti a R404A, ciascuno con compressore come sopra. L’isolamento di pareti e soffitti è presunto in pannelli prefabbricati dello spessore di 200 mm, schiumati con poliuretano di densità 40 kg/ m3, mentre l’isolamento a pavimento è realizzato in lastre di poliuretano sfalsate, di densità 35 kg/ m3, con spessore complessivo di 150 mm.
Per il caso TN, si considera una cella (vuota) per la conservazione di generi vari o ortofrutta, di dimensioni interne di m 10.0 x 10.0 x 7.0 h, mantenuta a porte chiuse a 0 °C, servita da un impianto a R134a, con compressore come sopra. L’isolamento di pareti e soffitti è presunto in pannelli prefabbricati dello spessore di 120 mm, schiumati con poliuretano di densità 40 kg/ m3; il pavimento non è isolato.
Per ciascun bin di temperatura, il fabbisogno di capacità refrigerante è calcolato a porte chiuse come se la temperatura esterna si mantenesse costante per un intero anno al valore centrale del bin, e come se la temperatura interna della cella si mantenesse costante al valore impostato. Il metodo suppone quindi una perfetta sincronia tra il fabbisogno e l’erogazione della capacità refrigerante; approssimazione giustificata dallo scopo comparativo del calcolo.
Il consumo di ciascun bin viene calcolato dividendo il fabbisogno per il COP. Il risultato viene poi moltiplicato per la frequenza annua di ciascun bin, indi sommato su tutti i bin.
Il calcolo viene eseguito separatamente per il ReFreeX e per il tradizionale, in ciascuno dei due casi per 40 bin differenti, per un totale di 80 bilanci termici, per ciascuna cella e per ciascuna località; in tutto 960 bilanci.
Risultati del calcolo
I risultati sono tabulati di seguito, per le celle e gli impianti dati, in diverse località italiane e europee.
Il risparmio del metodo ReFreeX rispetto al tradizionale varia da 27% circa per la BT a Palermo a 41% circa per la TN a Kaunas, in Lituania.
Per ogni grado in meno della temperatura esterna annua, il vantaggio del ReFreeX aumenta circa di un uno percento.
| Località | Temperatura | Impianti a R404A in cella -25 °C | Impianto a R134a in cella 0 °C | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| esterna media | T1 | T2 | Consumo tradizionale | Risparmio ReFreeX | T1 | T2 | Consumo tradizionale | Risparmio ReFreeX | |
| °C | °C | °C | kWh/ anno | % | °C | °C | kWh/ anno | % | |
| Abu Dhabi | 27.2 | 28.6 | 34.9 | 92275 | 17.6 % | 28.1 | 32.0 | 52416 | 21.4 % |
| Palermo | 18.5 | 19.2 | 19.2 | 71592 | 27.2 % | 19.0 | 20.9 | 34307 | 29.2 % |
| Napoli | 15.5 | 16.6 | 16.4 | 66812 | 30.4 % | 16.2 | 18.1 | 28934 | 32.2 % |
| Roma | 15.3 | 16.4 | 16.3 | 66395 | 30.6 % | 16.1 | 18.0 | 28486 | 32.5 % |
| Milano | 12.5 | 14.1 | 13.9 | 62077 | 33.2 % | 13.6 | 15.4 | 23517 | 35.2 % |
| Berlino | 9.9 | 11.1 | 10.9 | 56937 | 36.5 % | 10.7 | 12.7 | 18416 | 38.4 % |
| Kaunas | 6.9 | 8.3 | 8.0 | 52263 | 39.2 % | 8.1 | 9.8 | 13178 | 41.1 % |
