Recupero di calore

Supermercati con impianti a CO2 come refrigerante

Gli edifici adibiti a uso commerciale sono caratterizzati da un notevole consumo di energia. Gli edifici del settore “commercio” rappresentano più del 7% del consumo italiano. I supermercati sono, in questa classificazione, tra quelli con il più elevato consumo, e si stima che da soli utilizzino dal 3 al 4% dell’energia totale impiegata

Dalla premessa ne deriva che i supermercati si prestano all’adozione di significative misure di risparmio energetico con interventi abbastanza semplici da realizzare, ad esempio utilizzando per il riscaldamento ambiente il calore di scarto del sistema di refrigerazione per le celle frigorifere e i banchi espositori utilizzati per le merci deperibili.
Si tratta di una misura di risparmio energetico ben nota, anche se tuttora poco applicata in Italia.

Fig.1 – Schematizzazione dei flussi termici invernali in un supermercato con e senza recupero di calore

L’analisi progettuale di un sistema di recupero di calore deve tener conto di numerosi fattori, quali la temperatura necessaria per il fluido utilizzato per trasferire il calore, ma soprattutto del costo totale e dei benefici ottenibili.
È evidente che la cessione del calore al sistema di riscaldamento a bassa temperatura più semplice, il riscaldamento radiante a pavimento, permetterebbe di ottenere in modo elementare un recupero totale del calore altrimenti disperso con una efficienza molto alta. Purtroppo questo non è sempre pratico o possibile. Ad esempio è difficile realizzare un sistema di riscaldamento a pavimento in un edificio esistente. Spesso inoltre si desidera mantenere una certa flessibilità nell’utilizzo degli spazi e questo sfavorisce l’utilizzo di tale soluzione.
L’argomento del recupero di calore con i sistemi frigoriferi che utilizzano CO2 come refrigerante è abbastanza nuovo e presenta degli aspetti particolari per cui va affrontato in maniera completamente diversa rispetto al caso in cui il refrigerante sia del tipo HFC.
Questo articolo non vuole essere una trattazione esaustiva dell’argomento, e per questo si rinvia agli articoli citati nella bibliografia e ad altra letteratura sull’argomento, ma solo una descrizione semplificata e qualitativa dell’argomento basata su esperienze pratiche.

Il recupero di calore

Fig. 2 – Esempio di profilo di carico termico medio giornaliero per un supermercato

Il motivo per cui il recupero di calore appare particolarmente conveniente in un supermercato è evidente non appena si consideri lo schema riportato in fig.1.
I banchi frigoriferi e le celle sottraggono calore all’ambiente per mantenere un microambiente (all’interno di banchi e celle) a temperatura favorevole per la conservazione dei prodotti nell’intorno di 0°C per i prodotti freschi e di -20°C per i prodotti congelati.
L’energia sottratta costituisce per l’ambiente interno del supermercato un carico negativo, al pari delle dispersioni e delle infiltrazioni, e deve essere reintegrato durante il periodo invernale, per evitare un eccessivo abbassamento della temperatura.
Se l’energia sottratta dal sistema frigorifero all’ambiente, indicata con QREF nello schema di fig.1, viene dispersa all’esterno si sostiene un doppio costo:

  • Per l’energia elettrica, indicata in fig.1 con PEL, necessaria per il trasferimento del calore QREFdai banchi/celle frigorifere all’esterno
  • Per l’energia termica da immettere nell’ambiente interno del supermercato per mantenere la temperatura al livello desiderato
Fig. 3 – Carico termico netto senza recupero di calore (blu) e nel caso di recupero di calore ideale (in rosso). Esempio riferito al profilo di carico di fig. 2

Purtroppo l’idea di installare i gruppi frigoriferi direttamente in prossimità dei banchi si è dimostrata inattuabile nella maggioranza dei casi di supermercati di medie e grandi dimensioni, sia per la necessità di smaltire il calore d’estate, sia per il rumore generato sia ancora per la grande portata d’aria (e polvere) movimentata che pregiudica il mantenimento delle necessarie condizioni di igiene.
Ci sarebbero inoltre con tale soluzioni dei forti vincoli nell’effettuare le operazioni di manutenzione senza disturbare la vendita.
Un esempio generico per un medio supermercato installato nell’Italia del Nord, fornisce per i mesi freddi i seguenti valori di carichi termici giornalieri. Sono riportati sia i carichi negativi (dispersioni, infiltrazioni e refrigerazione), sia gli apporti gratuiti (persone, illuminazione, ventilatori e forni).
È evidente che immettendo, durante il periodo invernale,  nel locale in cui sono installati i banchi frigoriferi e le celle il calore di scarto del gruppo frigorifero, Q REF  ed eventualmente PEL , sempre secondo la terminologia di fig. 1, si può ridurre notevolmente o azzerare il fabbisogno netto di energia per il riscaldamento.

Fig.4 – Rappresentazione schematica di una centrale frigorifera a CO2 con recupero di calore

Si vede dal confronto dei grafici di fig.2 e fig.3 che con l’adozione di un sistema di recupero di calore in condizioni ideali il carico termico necessario per riportare in equilibrio termico l’ambiente interno , e quindi il costo per il riscaldamento ambiente, si riduce sensibilmente durante i mesi freddi.
Nel caso esemplificativo riportato il fabbisogno netto di energia per il riscaldamento dell’edificio si riduce drasticamente nei mesi più freddi. Nel mese di Febbraio il fabbisogno di integrazione sarebbe quasi azzerato e già nel mese di marzo il calore teoricamente disponibile eccederebbe il fabbisogno e il recupero di calore dovrebbe essere parzializzato.

Recupero di calore da sistemi frigoriferi con CO2

Scambiatori di recupero calore montati su una centrale frigorifera CO2

Lo schema tipico utilizzato per il recupero di calore nei sistemi frigoriferi con CO2 come refrigerante è quello riportato in fig. 4.
Uno o più scambiatori di calore sono collegati in serie sul ramo di mandata dei compressori e vengono inseriti, agendo su valvole motorizzate a 3 vie, in base alla richiesta di calore. In genere uno degli scambiatori viene utilizzato per il riscaldamento dell’acqua calda sanitaria e il secondo viene utilizzato per il riscaldamento ambiente. La commutazione in condizione “recupero calore” viene fatta sul lato refrigerante, per evitare un eccessivo riscaldamento dell’acqua o del fluido contenuto nel ramo secondario degli scambiatori quando la pompa di circolazione non sia in funzione.
Date le temperature del fluido refrigerante in alta pressione, fino a 100-110°C, si arriverebbe facilmente all’ebollizione del fluido secondario con ovvie implicazioni.

Fig.6 – Energia recuperata naturalmente a diverse condizioni ambiente

Nel seguito ci si concentrerà solo sulla parte di recupero di calore per il riscaldamento, dato che il riscaldamento di acqua calda sanitaria non presenta alcuna difficoltà di regolazione e soprattutto l’acqua calda sanitaria rappresenta normalmente una frazione abbastanza bassa, nei supermercati, del fabbisogno di energia. Tale configurazione permette comunque di ottenere praticamente tutta l’acqua calda necessaria nella maggior parte dei casi.
La foto di apertura del presente studio rappresenta un caso reale di sistema di scambiatori di recupero calore. Si notano i due scambiatori in serie sul lato di mandata e le valvole motorizzate a 3 vie.

Analisi di un sistema di recupero calore con CO2
Di seguito viene descritta sinteticamente, utilizzando degli esempi, una possibile tecnica di controllo normalmente usata per un sistema di recupero di calore da una centrale frigorifera con CO2, oltre che una analisi di massima sul calcolo di convenienza economica del recupero di calore.

Fig.7 – Energia recuperata per diversi valori dell’alta pressione per temperatura dell’aria esterna 5°C

La principale differenza rispetto a un sistema frigorifero che utilizzi HFC come refrigerante è data dal fatto che in condizioni di recupero di calore un sistema frigorifero con CO2 opera a condizioni supercritiche  e ha quindi un grado di libertà in più rispetto ai sistemi a condensazione. È quindi possibile regolare indipendentemente temperatura e pressione del fluido operatore. Questo consente di variare la quantità di calore recuperato, come verrà illustrato nel seguito.
Nel diagramma P-h di fig. 6 si suppone che il calore sia utilizzabile a partire da 35°C, ovvero che questa sia la temperatura di ingresso dell’acqua allo scambiatore di recupero.
Si fa riferimento nel seguito a un sistema frigorifero dotato di condensatore ad aria, con una differenza media tra temperatura dell’aria esterna e la temperatura di condensazione di 7K. Evidentemente nei mesi invernali il sistema frigorifero in assenza di recupero funzionerebbe esclusivamente in condizioni subcritiche.
Supponendo che il sistema operi a una temperatura di condensazione di 12°C (e quindi la temperatura dell’aria esterna sia di 5°C), si desume dal diagramma di fig. 6 che la quantità di energia ottenibile in uno scambiatore di recupero calore con acqua all’ingresso a 35°C è molto piccola.

Fig.8 – Scomposizione dell’energia di compressione ai fini del calcolo di COPRISC

La quantità di calore recuperabile, senza intervenire sul valore dell’alta pressione e quindi mantenendo il sistema in equilibrio con l’ambiente esterno, può aumentare:

  • se la temperatura esterna aumenta, ovvero se aumenta la temperatura di condensazione, ad esempio da Q1 a Q2, poiché aumenta la temperatura e l’entalpia di fine compressione, come rappresentato in fig. 6.
  • forzando il valore dell’alta pressione del sistema a un valore superiore a quello determinato dalla temperatura dell’aria esterna, come rappresentato dalla fig. 7 con Q1, Q2, …Qn.

In questo secondo caso anche il consumo di energia elettrica ovviamente aumenta, ma contemporaneamente aumenta la quantità di calore recuperato.
Si può allora immaginare, ai fini del calcolo di convenienza, di separare il contributo al consumo elettrico dovuto al recupero di calore e di definire un COP RISC nel modo seguente:

COPRISC= QREC/W

Dove QREC è la differenza tra il calore totale recuperato e il calore comunque recuperabile anche senza forzare l’alta pressione, e W e l’incremento di energia di compressione, W2-W1, rispetto al ciclo frigorifero base, avente capacità frigorifera QREF e  operante a pressione di mandata minima con energia di compressione richiesta W1.

Secondo questa assunzione il COPRISC  ha l’andamento delle 3 curve riportate in fig. 9. Il COPRISC è riportato, sulla scala di sinistra, come funzione dell’alta pressione  a cui viene forzato il sistema ed è  parametrizzato in base al valore dell’aria esterna. Il grafico è riferito a una temperatura dell’acqua di ritorno di 35°C.

Fig. 9 – COPREF e COPRISC in funzione dell’alta pressione per diversi valori della temperatura dell’aria esterna

Nello stesso grafico è riportato, con linee rette orizzontali e riferito alla scala sulla destra, anche il COPREF, ovvero il COP del sistema frigorifero base calcolato come QREF/W1, considerato distinto, secondo la schematizzazione ipotizzata, dal sistema di recupero calore.
Da notare che il COPREF, così come definito, non dipende in modo diretto dal valore dell’alta pressione e con le semplificazioni adottate è considerato dipendere solo dalla temperatura dell’aria a cui viene ceduto il calore residuo, ovvero la temperatura esterna. L’approssimazione consiste nell’aver considerato costante il valore dell’entalpia all’ingresso dell’organo di laminazione. Dato l’andamento delle isoterme per la CO2 un aumento di pressione a parità di temperatura porta a una non trascurabile diminuzione del valore dell’entalpia, quindi a rigore l’approssimazione fatta non considera il piccolo aumento dell’effetto frigorifero, indicato con QREF in fig.8. In realtà altri fattori influenzano il valore di temperatura all’ingresso della valvola ma, dato lo scopo di questo articolo, non si ritiene di approfondire ulteriormente tale aspetto.

Fig.10 – Frazione di energia disponibile recuperata con acqua in ingresso 35°C per diversi valori dell’alta pressione

La figura 10 riporta, per una temperatura dell’acqua all’ingresso dello scambiatore di recupero per riscaldamento, di 35°C la frazione percentuale di calore recuperato.
Qualora fosse necessario aumentare ulteriormente la quantità di calore recuperata si può ridurre la quantità di calore ceduta all’esterno riducendo la velocità dei ventilatori del condensatore. Si potrà recuperare in tal modo quasi tutto il calore disponibile sul lato di alta pressione ma, secondo il modello assunto, il  COPREF si ridurrà.
Man mano che si riduce la quantità di calore rigettata all’esterno la temperatura del fluido operatore all’ingresso della valvola si avvicinerà sempre più alla temperatura dell’acqua all’ingresso allo scambiatore di recupero calore e corrispondentemente si ridurrà l’effetto frigorifero all’evaporatore. Questo comporta un aumento della portata di massa, e in totale diminuirà la quantità di calore “dispersa” all’esterno con un corrispondente aumento della quantità di energia recuperata.
Anche alla minima velocità dei ventilatori una certa piccola quantità di calore viene ceduta all’aria esterna per convezione naturale nello scambiatore di alta pressione.
Per recuperare tutto il calore è necessario il bypass completo del condensatore, ma questo, oltre a richiedere una valvola aggiuntiva, rende il sistema instabile in caso di rapida variazione del carico. Per questo motivo, oltre che per il fatto che il recupero incrementale è limitato, in pratica non si ricorre quasi mai a un recupero spinto al 100%.

Fig. 11 – Rappresentazione su diagramma P-h dell’incremento della frazione di energia recuperata riducendo la quantità di energia dispersa al condensatore

È necessario specificare che quanto sopra descritto è stato volutamente semplificato per agevolare la descrizione del metodo. In pratica una certa riduzione della velocità dei ventilatori del condensatore potrebbe essere  desiderabile già durante la prima fase di recupero per motivi legati alla stabilità della regolazione.
In caso il calore recuperato non sia ancora sufficiente per mantenere la temperatura desiderata nel supermercato  sarà necessario ricorrere a una sorgente di calore esterna (gas o pompa di calore).
Talvolta viene utilizzato sulla centrale frigorifera stessa un compressore (o più compressori) collegato a un evaporatore  che assorbe calore dall’aria esterna.
Questo compressore opera quindi a una temperatura di evaporazione diversa dagli altri, funzione della temperatura dell’aria ambiente. Si tratta tuttavia di un accorgimento da prendere in considerazione solo quando con un piccolo aumento di capacità termica si possa coprire integralmente il fabbisogno di calore dell’edificio nel periodo invernale, evitando completamente ogni fonte integrativa.

Fig.12- Frazione di energia disponibile recuperata con acqua in ingresso 30°C per diversi valori dell’alta pressione

Effetto della temperatura dell’acqua di ritorno sulla quantità di calore recuperabile
I grafici riportati di seguito rappresentano, per temperatura dell’acqua all’ingresso dello scambiatore di recupero avente valori diversi dall’esempio precedente, rispettivamente 30°C e 40°C, la frazione di calore recuperato al variare dell’alta pressione, con riferimento al caso in cui si desideri ottenere la massima efficienza del sistema, ovvero il minimo costo energetico per la refrigerazione e il riscaldamento dell’edificio.
Il grafico di fig. 12, si riferisce alla condizione in cui l’acqua entra allo scambiatore di recupero a una temperatura di 30°C, mentre il grafico di fig. 13 è relativo a una temperatura di ritorno di 40°C.
Come si vede dai grafici seguenti la frazione recuperata a condizioni di efficienza totale massima  aumenta al diminuire della temperatura di ritorno dell’acqua e viceversa.
Anche se quanto sopra può apparire a prima vista complesso e difficile da attuare sono stati individuati dei criteri pratici di progettazione.
Si è visto che la soluzione più conveniente è di rinunciare a recuperare il 100% dell’energia disponibile, e di ridurre al minimo, mediante opportuna progettazione, la temperatura dell’acqua utilizzata per il riscaldamento. Valori correnti sono di 27-30°C per l’acqua in ingresso allo scambiatore di recupero, con temperatura di uscita intorno a 45°C. Si desume dal grafico di fig.12 che in tal modo è sufficiente un valore dell’alta pressione

Fig. 13 – Frazione di energia disponibile recuperata con acqua in ingresso 40°C per diversi valori dell’alta pressione

compresa tra 80 e 90 bar.
Come si evince anche dal grafico, sia pure approssimato, di fig.9 tale intervallo corrisponde alla zona di massima efficienza del recupero di calore.
In tal modo si recupera più dell’80% del calore disponibile lavorando sempre in condizioni di minimo consumo totale. Il valore regolato dell’alta pressione si ridurrà quando il fabbisogno di energia termica sia inferiore a quella disponibile.

Confronto economico
La convenienza o meno di ottenere calore di recupero accettando un aumento del consumo elettrico del sistema di refrigerazione dipende dal costo delle sorgenti alternative disponibili per l’integrazione del riscaldamento.

Si ha convenienza a recuperare calore quando

Costo Energia Elettrica / COP RISC < Costo Energia Integrazione

Il grafico di fig. 14  mette in relazione il costo dell’elettricità e del gas, considerata come l’energia usata per l’integrazione del riscaldamento, tramite il valore di un rapporto “R” definito nel modo seguente:

R= Costo Energia Integrazione /(Costo Energia Elettrica /COPRISC).

L’esempio è calcolato per un costo dell’energia integrativa di  0,06 €/kWh (tipica del gas metano in Italia) e per un costo dell’energia elettrica variabile tra 0,09 e 0,13 €/kWh, anche questo tipico del mercato italiano.
Grafici analoghi possono essere preparati ad esempio per l’utilizzo, come sorgente integrativa, di una pompa di calore.
Si ha convenienza a recuperare quando il rapporto “R” è maggiore di 1,0. Il beneficio è tanto maggiore quanto più alto è il rapporto “R”.
Una simile analisi potrebbe essere facilmente sviluppata con riferimento alla quantità di energia primaria utilizzata, anziché al costo dell’energia, influenzato anche da fattori non strettamente energetici.
Dato il COPRISC desumibile dalla fig. 9, variabile tra 2 e 5, si vede che la situazione è favorevole al recupero nella maggior parte dei casi.
Ai fini della valutazione dell’opportunità di investimento, ovvero del tempo di ritorno, è necessario da ultimo considerare l’energia ottenibile, e il risparmio conseguente, a fronte del costo di investimento.
Si ritiene opportuno ripetere che il calcolo di convenienza sopra riportato e limitato alla fase più “efficiente” del recupero di calore, ovvero accettando di cedere una parte, sia pure minima, del calore disponibile sul lato di alta pressione all’aria esterna, in modo da mantenere alto il COPFRIG. Per un recupero più spinto il calcolo di convenienza diventa più complesso.

Fig. 14 – Rappresentazione grafica del fattore “R” per diversi valori del COPRISC

Come si è visto è possibile mantenere facilmente tale condizione di massima efficienza quando si utilizzi una temperatura dell’acqua di ritorno relativamente bassa.
L’analisi approssimata svolta è coerente con i parametri di progettazione e regolazione utilizzati nei paesi in cui l’anidride carbonica è praticamente la scelta preferenziale nei supermercati. Praticamente tutti i supermercati sono dotati di recupero di calore oltre che di un sistema di monitoraggio dei consumi che ha permesso di affinare nel tempo sia il funzionamento di ogni singolo impianto sia i parametri di progettazione.

Analisi dell’ investimento
Dai parametri sopra elencati si può ritenere, a titolo di esempio, che per un tipico supermercato con superficie di vendita di 2000 m2 , con una potenza frigorifera nominale di 90 kW per banchi/celle a 0°C e 30 kW per i freezer, produca nei mesi freddi da 120.000 a 150.000 kWh. In tal caso il tempo di ritorno dell’investimento, assumendo di recuperare il 75% del calore, ovvero circa 100.000 kWh/anno, varia tra 1 e 2 anni. Evidentemente il tempo di ritorno è vicino al limite inferiore per le installazioni in climi più freddi.
Il tempo di ritorno dipende in realtà anche dalla soluzione adottata come  principale impianto di riscaldamento, o integrazione, a seconda del punto di vista.
Un sistema di riscaldamento integrativo a gas metano può essere di taglia ridotta e quindi avere un costo inferiore.
Nel caso in cui si usi per l’integrazione una pompa di calore reversibile, essendo il dimensionamento basato anche sul carico estivo, non ci sarà invece una riduzione di taglia rispetto al caso senza recupero e si può ritenere che rimanga valida la stima precedente.

Bibliografia

[1] Terna: Statistiche consumi settore merceologico, 2010 (www.terna.it)
[2] L. Reinholdt, C. Madsen: Heat recovery systems in supermarkets,  9th IIR Gustav Lorentzen Conference, Sydney, Australia, 2010
[3] L.Cecchinato, M.Corradi, S.Minetto: Energy performance of supermarket refrigeration and air conditioning integrated systems, applied Thermal Engineering 30 (2010) 1946-1958

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