Questa tecnologia sta conoscendo uno sviluppo continuo già da molti anni e sta avendo dei risultati sempre più incoraggianti. Il consumo energetico è all’origine delle emissioni indirette dei gas ad effetto serra che coinvolgono il riscaldamento globale di tutto il pianeta terra.
Poiché la maggior parte del consumo di energia di un impianto frigorifero è dovuta al compressore, sono stati elaborati già da molto tempo numerosi studi che mirano ad ottimizzare il più possibile il suo funzionamento. A questo riguardo anche la direzione R&D del grande conglomerato francese EDF ha posto la sua attenzione sulle possibilità di adeguare i propri audit energetici alle necessità del momento attraverso uno specifico progetto denominato “Il freddo e le tecnologie innovative”.
Questo studio ha per oggetto di mettere a confronto le prestazioni energetiche di un compressore a vite in funzione del modo di regolazione adottato per modulare la potenza frigorifera fornita a livello dell’evaporatore dell’impianto.
Infatti, questo tipo di compressore presenta particolari problemi quando deve funzionare a carico parziale ed occorre valutare quale sistema di riduzione della portata di refrigerante è il più economico fra i tre tipi presi in considerazione ovvero: il cassetto mobile di riduzione della portata, il cassetto mobile di adattamento del Vi oppure la variazione di velocità del compressore. La conclusione del lavoro ha avuto il risultato già prevedibile.
l problema della regolazione
Attualmente l’industria del freddo si confronta con due grandi problematiche:
- L’impiego dei fluidi frigorigeni di tipo CFC, HCFC e HFC. Anche se questi fluidi non degradano tutti lo strato di ozono, nondimeno essi contribuiscono all’effetto serra.
- Il consumo di energia. Esso rappresenta attualmente circa il 10% del consumo elettrico di una nazione.
Nello studio effettuato sono stati presi in considerazione i tre sistemi più comuni di regolazione della potenza frigorifera e cioè:
- La variazione elettronica della velocità (VEV) sul motore del compressore a vite
- Il cassetto mobile di potenza
- Il cassetto di potenza associato al cassetto del Vi (Volume interno) variabile.
Lo studio riporta i risultati di una prova comparativa, sotto la forma di coefficiente prestazionale frigorifico, fra l’impiego della variazione elettronica della velocità, di quello del cassetto mobile di potenza e di quello del cassetto del Vi variabile.
Occorre notare che, ancora attualmente, una gran parte dei compressori a vite sono venduti con il cassetto del Vi variabile in opzione.
Lo studio effettuato ha permesso di valutare l’interesse energetico di questo dispositivo di regolazione in rapporto alla VEV e al cassetto di potenza.
Il banco di prova, la sua strumentazione e la sua regolazione
La centrale frigorifera installata nel sito EDF dei Renardieres in seno ai laboratori del dipartimento EPI, è costituita da un gruppo frigorifero di carattere industriale funzionante con il refrigerante R-507 e completo di un compressore a vite di tipo aperto (Figura 1). Si tratta di un macchinario di prova, equipaggiato con misuratori di portata, sonde di temperatura, sensori di potenza attiva e di pressione.
Il gruppo raffredda un fluido frigovettore tipo “Temper-55” (a base di acetato e di formiato di potassio in soluzione acquosa che è senza glicole, non è tossico e non è inquinante) per mezzo di un evaporatore di tipo a piastre.
Il fluido frigovettore viene, in seguito, postriscaldato per mezzo di un riscaldatore elettrico composto da otto resistenze, ciascuna di 20 kW. Queste resistenze possono essere attivate o disattivate in funzione del carico termico che si vuole simulare. Una di queste resistenze è regolabile su un campo da 0 a 20 kW. Una volta riscaldato, il fluido frigovettore viene reintrodotto nell’evaporatore.
L’impianto è completato da un condensatore frigorifero raffreddato ad aria e piazzato all’esterno dell’edificio.
Secondo la posizione del cassetto mobile di potenza, la portata nominale di refrigerante di questo compressore, per una velocità di rotazione di 2940 giri/min, varia da 23,1 m³/h (cassetto al 10%) fino a 231 m³ (cassetto al 100%).
Le prestazioni di questo banco di prova annunciate dal costruttore per i due regimi di funzionamento, riportato qui di seguito, sono indicate nella Tabella 1, ovvero:
- Regime di climatizzazione 6/12 °C
- Regime di refrigerazione – 5/0°C
I componenti principali dalla regolazione nel banco di prova sono descritti nella Figura 2. I diversi circuiti di regolazione sono i seguenti:
- Regolazione del surriscaldamento con il regolatore “PID 3”
- Regolazione dell’alta pressione con il regolatore “PID 2” con punto di taratura a 18 bar
- Regolazione della temperatura di entrata nell’evaporatore del fluido frigovettore con il regolatore “PID 4”. In regime di climatizzazione il punto di taratura è fissato in 12°C mentre in quello di refrigerazione si ha 0°C.
- Regolazione della potenza frigorifera con il regolatore “PID 1”; climatizzazione a 6°C; refrigerazione a – 5°C. Questa regolazione agisce sul modo di regolazione scelto fra la VEV, il cassetto di potenza ed il cassetto di Vi.
Tabella 1 – Valori di potenza del banco di prova
| Regime di funzionamento | 0°- 45°C | 10°- 40°C |
| Potenza frigorifera emessa | 159 kW | 120 kW |
| Potenza elettrica consumata | 62 kW | 52 kW |
| COP | 2,5 | 2,3 |
Il compressore a vite e la sua regolazione di potenza (i, ii, iii, iv)
Il cassetto mobile di potenza
Questo cassetto scorre sopra l’asse di giunzione dei rotori (Figura 3). Spostandosi verso l’orifizio di scarico, questo cassetto mette in comunicazione una parte dei gas che sono in corso di compressione con la zona di aspirazione. Bypassando una parte di questi gas, il volume del gas rimasto imprigionato nella scanalatura della vite tende a diminuire come pure la portata massica di scarico.
Il cassetto del volume interno
Il rapporto del volume interno, indicato con Vi, corrisponde al rapporto fra il volume di gas aspirato ed il volume di gas scaricato ovvero:
Va
Vi = _____
Vr
Equazione 1 : Espressione del rapporto di volume interno:
τi= Vi y
Equazione 2 : Espressione del tasso di compressione interno:
Pressione AP
τe = ____________
Pressione BP
Un Vi = 2,5 corrisponde ad un impianto di climatizzazione con un debole τe
Un Vi = 3,5 corrisponde ad un impianto di refrigerazione a media temperatura con un medio τe
Un Vi = 5 corrisponde ad un impianto di refrigerazione a bassa temperatura con un forte τe
Nel caso di regime ideale si sceglie, per il bisogno, un compressore a vite che possegga un tasso di compressione interna identico al tasso di compressione esterna τi = τe.
Nelle macchine frigorifere con Vi variabile, l’applicazione di un secondo cassetto consente di adattare il τi in funzione dell’evoluzione delle condizioni esterne della pressione. Secondo la letteratura tecnica ed i fabbricanti dei compressori, grazie a questo cassetto le prestazioni energetiche del compressore possono essere migliorate poiché esso evita delle situazioni di sovraconsumo energetico dovute a delle fasi di sopra o sotto-compressione della macchina.
La variazione di velocità
La velocità di sincronismo (Ns) di un motore elettrico asincrono corrisponde alla velocità di rotazione del campo magnetico che gira intorno allo statore. Questa velocità dipende dalla frequenza che si ha in rete e dal numero delle coppie di poli. Per poter modulare la velocità di rotazione del rotore occorre far variare la frequenza di alimentazione dello statore e, per questo motivo, viene utilizzato un variatore di frequenza o variatore elettronico di velocità (VEV).
Il campo di utilizzazione della variazione di velocità è, in genere, limitato fra il 60% ed il 120% della velocità nominale. Il limite inferiore viene fissato dal valore della pressione minima dell’olio in circolazione, il che permette di assicurare la tenuta delle tasche di compressione l’una in confronto all’altra.
Indicatori e programmi di prova
Per ciascuna delle prove effettuate, è stata determinata la prestazione energetica della macchina in base all’Equazione 4 che riguarda l’espressione del coefficiente energetico freddo (EER):
Pfrigo
Equazione 4 : EER = ________ dove:
Pelettr
Pfrigo = potenza elettrica del riscaldatore
Pelettr = potenza elettrica assorbita dal compressore misurata ai morsetti del motore
di comando . A questa si deve aggiungere la potenza elettrica assorbita dai
ventilatori del condensatore
Viene impiegato anche il coefficiente prestazionale stagionale ESEER (European Seasonal Energy Efficiency Ratio) che è definito in base all’Equazione 5 che riguarda l’espressione del coefficiente stagionale europeo (ESEER) e che permette di valutare i guadagni annuali:
Equazione 5 : ESEER = A* EER100% + B*EER75% = C*EER50% + D*EER25% dove:
A = 0,03
B = 0,33
C = 0,41
D = 0,23
A sua volta, l’Equazione 6 definisce il guadagno energetico fra due prove diverse y e rif :
EERprova y – EERprova rif
Equazione 6 : Gguad = _______________________ x 100
EERprova rif
In questo studio la prova di riferimento (prova rif) riguarda l’utilizzazione del suo cassetto di potenza. Le prove sono state effettuate secondo i punti di funzionamento del programma di certificazione Eurovent riportato nella Tabella 2.
Tabella 2 – Regimi di funzionamento
| Regime | Temperatura frigovettore | Temperatura condensazione |
| Climatizzazione | 12°/7°C | 35°C |
| Refrigerazione a media temperatura | 0°/-5°C | 35°C |
Il carico termico del circuito di prova può variare con gradini di 23 kW che corrispondono alla potenza di una resistenza.
La Tabella 3 corrisponde alla serie di variazioni da effettuare in ciascuno dei regimi di funzionamento. Questi gradini di variazione del carico termico differiscono da quelli utilizzati nel calcolo del coefficiente stagionale ESEER.
A partire dalle curve sperimentali così ottenute, la modellazione della funzione EER in funzione del carico frigorifero permette di calcolare gli EER necessari per il calcolo della ESEER.
Tabella 3 – Valori delle diverse potenze frigorifere con la variazione del numero di resistenze elettriche
| Numero delle resistenze | Climatizzazione(0°/40°C) | Refrigerazione(- 10°/40°C) |
| 7 | 160 kW | NA * |
| 6 | 135 kW | NA * |
| 5 | 116 kW | 116 kW |
| 4 | 90 kW | 90 kW |
| 3 | 70 kW | 70 kW |
| 2 | 46 kW | 46 kW |
| 1 | 23 kW | 23 kW |
NA* = Non attribuito. Il numero massimo di resistenze deve fornire una potenza più vicino possibile a quella nominale determinata nella Tabella 3 per ciascun modo di funzionamento.
RISULTATI
Punto di funzionamento a 6°/12°C
La Figura 4 rappresenta la variazione del parametro EER per ciascuno dei tre dispositivi di regolazione previsti in funzione del carico frigorifero. Questo grafico permette di mettere a confronto l’efficienza energetica di ciascuno dei suddetti e di mettere in evidenza quanto segue:
- I guadagni energetici ricavati con l’impiego del variatore di velocità.
- L’assenza di guadagni energetici con l’impiego del cassetto del Vi variabile associato al cassetto di potenza.
L’impiego della variazione di velocità è possibile soltanto per dei carichi superiori al 60% della potenza frigorifera a causa dei vincoli riguardanti la tenuta fra le viti e la lubrificazione delle stesse.
Il calcolo del ESEER in modo VEV è stato fatto con i valori del EER ottenuti con una VEV compresa fra il 60% ed il 100% e con i valori di EER ottenuti con il solo cassetto fra il 25% ed il 59%. Nell’intervallo 190 kW ÷ 160 kW ossia 156% ÷ 100%, il guadagno energetico sul EER ricavato con l’impiego della VEV è compreso fra il 6,1% ed il 43,1% in rapporto al solo cassetto di potenza.
La Tabella 4 mette in evidenza che l’impiego di un variatore di velocità permette di ottenere delle migliori prestazioni energetiche per tutta la durata dell’anno ed il guadagno del ESEER è del 12%.
Tabella 4 – Calcolo dei coefficienti stagionali
| Dispositivo diregolazione | EER100% | EER88% | EER75% | EER66% | EER50% | EER33% | EER25% | ESEER |
| Cassetto dipotenza | 2,4 | 2,1 | 2,1 | 2,1 | 1,9 | 1,4 | 0,6 | 1,7 |
| Cassetto di potenza e cassetto di Vi | 2,5 | 2,1 | 2,1 | 2,1 | 2,0 | 1,5 | 0,7 | 1,7 |
| Variatore di velocità | 2,6 | 3,0 | 2,8 | 2,6 | 1,9 | 1,4 | 0,6 | 1,9 |
Punto di funzionamento a 0°/-5°C
La Figura 5 permette di mettere a confronto l’efficienza energetica di ciascuno dei tre dispositivi previsti e di mettere in evidenza quanto segue:
- I guadagni energetici ricavati con l’impiego del variatore di velocità.
- L’assenza di guadagni energetici con l’impiego del cassetto Vi variabile associato al cassetto di potenza.
Nell’intervallo 170 kW ÷ 120 kW ossia 160% ÷ 100%, il guadagno energetico sul EER ricavato con l’impiego della VEV è compreso fra il 7,3% ed il 30,2% in rapporto al solo cassetto di potenza. La Tabella 5 mette in evidenza che l’impiego di un variatore di velocità permette di ottenere delle migliori prestazioni energetiche per tutta la durata dell’anno ed il guadagno sul ESEER è del 6%.
Tabella 5 – Calcolo dei coefficienti stagionali
| Dispositivo di regolazione | EER100% | EER88% | EER75% | EER66% | EER50% | EER33% | EER25% | ESEER |
| Cassetto di potenza | 2,2 | 2,1 | 2,0 | 1,9 | 1,6 | 1,1 | 0,9 | 1,8 |
| Cassetto di potenza e cassetto Vi | 2,2 | 2,1 | 1,9 | 1,8 | 1,5 | 1,2 | 0,9 | 5 |
| Variatore di velocità | 2,4 | 2,4 | 2,4 | 2,4 | 1,6 | 1,1 | 0,9 | 1,7 |
Conclusioni
Sono state effettuate delle prove di variazione del carico termico su un impianto frigorifero completo di un compressore a vite di tipo aperto. Questo tipo di compressore possiede tre dispositivi indipendenti di adattamento alla sua potenza frigorifera e cioè:
- Il cassetto mobile di potenza ed il Vi fisso
- Il cassetto mobile di potenza associato al cassetto Vi variabile
- La variazione elettronica di velocità
Le prove effettuate permettono di prendere posizione in rapporto alla problematica iniziale di questo studio e cioè: quale può essere l’interesse energetico di istallare un variatore di velocità su un compressore a vite in sostituzione dei cassetti di potenza e di Vi.
Uno studio ulteriore sul possibile ritorno all’investimento sarebbe interessante per completare questo studio.
Le prove di questo studio con il solo cassetto di potenza sono state effettuate con la velocità nominale del compressore (100%). Potrebbero essere interessanti anche delle prove complementari con il solo cassetto di potenza per una velocità ridotta al 60% grazie al variatore di velocità, allo scopo di ingrandire la gamma di variazione di potenza e avere, nello stesso tempo, le migliori prestazioni energetiche.
Per concludere, la variazione di velocità è una soluzione pertinente per garantire e migliorare le prestazioni energetiche di un impianto frigorifero munito di un compressore a vite fra il 100% ed il 60% della potenza nominale.
Sono state quindi ottenute le seguenti conclusioni:
- Sull’impianto frigorifero testato, e per i punti di funzionamento testati, il cassetto del Vi variabile non permette di realizzare dei guadagni energetici in rapporto all’impiego del solo cassetto mobile di potenza e con quello del Vi fisso. Questo risultato può essere dovuto alla bassa potenza del compressore testato (160 kW) che è il più basso sella gamma presa in considerazione.
- Per l’impianto frigorifero testato e per i punti di funzionamento testati, l’impiego della VEV permette di aumentare notevolmente le prestazioni energetiche della macchina. Il guadagno sul ESEER è del 12% per il punto 6/12°C e del 6% per il punto -5/0°C.
Bibliografia:
E. Vendel, “Influence du dispositif de regulation sur les performances energetiques des compresseurs a vis”, R.G.F. – Giugno 2011
