Supermercati ad alta efficienza: compressori BLDC e Waterloop

imagesI dati statistici relativi alle perdite di refrigerante in un impianto tradizionale a espansione diretta variano tra il 10% e il 15%. Considerato l’elevato valore di GWP dell’R404A e la quantità di refrigerante normalmente presente in un supermercato, il contributo diretto all’effetto serra risulta molto rilevante.

A cura di:
Tommaso Ferrarese – HVAC/R Laboratory, Carel Industrie S.p.A.
Giacomo Bagarella – PhD Energetic Engineering, Università di Padova


Nella gestione di un supermercato l’impianto di refrigerazione è responsabile mediamente di poco più di metà del consumo elettrico totale. Di questa quota parte si può attribuire circa il 65% al consumo di compressori e ventilatori. Aumentare l’efficienza dell’impianto di refrigerazione può quindi portare a sensibili risparmi.
La soluzione waterloop presa in considerazione in questo lavoro consiste in un impianto commerciale in cui si sono utilizzate utenze frigorifere dotate di compressore BLDC ad inverter a bordo. È stato inoltre installato un anello ad acqua equipaggiato con unità per il recupero o lo smaltimento del calore generato dai banchi e dalle celle frigoriferi.
L’eliminazione delle lunghe tubazioni che connettono le centrali frigorifere alle utenze e della relativa necessità di operare numerose saldature sul posto consente di ridurre sensibilmente sia la carica di refrigerante, sia le perdite annuali, con un importante beneficio relativo alla drastica riduzione del contributo diretto all’effetto serra.
L’utilizzo di compressori a bordo di ciascuna utenza e la possibilità di modularne la velocità permette di mantenere la temperatura dell’aria e quella di evaporazione al loro valore ottimale, evitando le inefficienze legate ai cicli di on-off. Le perdite di carico sono notevolmente inferiori se paragonate con quelle di un impianto multiplex tradizionale. Ne risultano una maggior efficienza energetica, una riduzione del contributo indiretto all’effetto serra e dei costi di gestione.
L’analisi dei consumi energetici è stata condotta sulla base dei primi mesi di acquisizione dati ed è stata utilizzata per generare un modello matematico successivamente confrontato con quelli relativi a impianti tradizionali.

La soluzione waterloop

imageUn banco frigo stand-alone è progettato per avere a bordo tutte le componenti del circuito frigo, compressore e condensatore compresi. La soluzione realizzata prevede l’utilizzo di unità motocondensanti costituite da una scatola metallica contenente il compressore orizzontale, il condensatore – progettato ad hoc per l’applicazione – il ricevitore del liquido e le tubazioni necessarie. All’esterno della scatola trova posto l’inverter.
L’unità può essere posta al di sopra del banco frigo o della cella o può essere alloggiata nella parte bassa.
Il banco viene assemblato in fabbrica, garantendo una qualità di esecuzione delle saldature che riduce al minimo le probabilità di perdite di refrigerante in campo.
È possibile utilizzare anche configurazioni con fino a tre evaporatori serviti dal medesimo compressore: il sofisticato sistema di regolazione controlla la velocità del compressore e l’apertura delle valvole di espansione per distribuire il refrigerante al meglio in funzione della dimensione degli scambiatori e del carico richiesto, mantenendo comunque il compressore all’interno dei limiti di funzionamento (inviluppo). Questa possibilità consente di utilizzare il sistema efficacemente anche in presenza di scambiatori di piccola taglia e fortemente sbilanciati tra loro garantendo la massima efficienza e ottenendo la capacità frigorifera più vicina alla richiesta istante per istante.
La scelta di compressori di tipo scroll orizzontali è legata a motivi di peso, rumorosità e ingombro, mentre la condensazione ad acqua è resa necessaria dalla quantità di calore prodotta dalle unità refrigerate, dalla possibilità di recupero termico e dal basso livello di rumorosità.

Anello ad acqua (Waterloop)

Il sistema prevede un anello ad acqua primario e tre anelli secondari, per ciascun livello di evaporazione dei banchi. Sull’anello primario sono installati una pompa di calore polivalente aria/acqua/acqua e un dry cooler. È inoltre presente una pompa di calore acqua/acqua che consente di mantenere la condensazione delle utenze di bassa temperatura a un livello inferiore aumentandone l’efficienza energetica.
Con l’utilizzo di valvole a tre vie e pompe di circolazione a velocità variabile è possibile mantenere costanti le temperature dell’acqua in mandata e la differenza di temperatura tra mandata e ritorno.
La funzione della pompa di calore del primario è quella di recuperare il calore prodotto dalle utenze frigo per riscaldare l’acqua di accumulo a temperature adatte al riscaldamento del punto vendita.  Fornisce inoltre energia termica per il pre-riscaldamento dell’acqua sanitaria ed altre utenze accessorie (serpentina sciogli-neve). Durante la stagione calda può invece rigettare all’esterno il carico termico, mantenendo alla temperatura voluta l’anello ad acqua.

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Funzionamento stagionale

Nella stagione fredda la configurazione dell’impianto prevede il recupero totale del calore generato dai banchi frigoriferi e dalle celle per le esigenze di riscaldamento del punto vendita. Qualora l’edificio non necessiti di riscaldamento il calore può essere smaltito all’esterno per mezzo del dry cooler.
Nella stagione calda, quando la temperatura esterna non consente di smaltire il calore tramite il dry cooler, la pompa di calore può funzionare in modalità chiller, mantenendo l’anello alla temperatura che massimizza l’efficienza del sistema.
Nelle mezze stagioni, l’impianto funziona con il dry cooler fino a quando la temperatura esterna lo consente, la pompa di calore interviene quando ci sia richiesta di calore da parte dell’edificio oppure quando la temperatura esterna impedisca un uso efficiente del dry cooler. L’utilizzo di compressori BLDC a inverter anche a bordo della pompa di calore consente in queste condizioni di mantenere parzialmente attiva la dissipazione di calore tramite dry cooler, garantendo anche in questo caso un’efficienza ottimale.

Riduzione della carica di refrigerante e delle perdite

In un supermercato tradizionale la carica di refrigerante risulta essere molto elevata, principalmente a causa delle lunghe tubazioni che connettono le centrali frigorifere alle utenze. È possibile stimare che in un supermercato tradizionale la carica di R404A per kW di capacità frigorifera installata sia nell’ordine di 3.5 ÷ 4 kg/kW[1]. Con l’utilizzo del compressore a bordo la carica di refrigerante specifica può essere ridotta a meno di 1 kg/kW, con una riduzione di oltre l’80%.
Il valore statistico delle perdite in un impianto tradizionale è compreso tra il 10% e il 15%[2], con la soluzione con compressore a bordo e banchi assemblati in fabbrica è possibile realisticamente parlare di perdite nell’ordine dell’1%. A questo si aggiunge che la quantità di refrigerante liberata in ambiente nel caso improbabile di una grossa perdita è limitato alla carica del singolo banco, contrariamente a quanto accade in un sistema centralizzato in cui rischia di fuoriuscire il contenuto dell’intera linea.

Aumento dell’efficienza energetica

Osservando l’andamento giornaliero del carico termico che un’unità frigorifera deve smaltire è evidente come essa lavori per la maggior parte del tempo a carico parziale. Questo è dovuto alle variazioni di affollamento del punto vendita, alle condizioni di temperatura interna, all’apertura delle porte in caso di banchi chiusi o celle, alle condizioni notturne con variazione del setpoint, lo spegnimento delle luci e l’abbassamento delle tende.

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Dal momento che l’evaporatore è dimensionato per il carico nominale e che in prima approssimazione la capacità frigorifera si può far dipendere dalla differenza di temperatura tra temperatura dell’aria e temperatura di evaporazione, ogni volta che l’unità lavora con un carico ridotto, la temperatura di evaporazione necessaria a produrre la capacità frigo richiesta è più alta di quella nominale.

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In un supermercato tradizionale, la centrale frigorifera lavora con un setpoint fisso tale da garantire sempre la pressione di aspirazione necessaria per soddisfare il carico nominale. Il risultato è che per la maggior parte del tempo i banchi frigo lavorano con una temperatura di evaporazione inferiore al necessario, modulando la potenza frigorifera in eccesso con fermate successive.
Una soluzione per eliminare questa inefficienza è l’utilizzo della temperatura di evaporazione flottante. Il sistema di supervisione dell’impianto è in grado di calcolare quale sia la massima pressione di evaporazione a cui può lavorare l’impianto a intervalli di tempo regolari.

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Un sistema di supermercato tradizionale è composto solitamente di una linea di bassa temperatura e di una di media temperatura, ciascuna servita da una centrale frigorifera. Ogni linea è composta da numerose utenze, molte delle quali hanno setpoint di temperatura diversi e diversi andamenti del carico frigorifero richiesto. Con questa configurazione, anche utilizzando una temperatura di evaporazione flottante, sarà determinante il banco che nell’intervallo di tempo considerato necessita della temperatura di evaporazione inferiore. Tutte le altre utenze saranno comunque costrette a operare con una temperatura all’evaporatore inferiore a quanto sarebbe necessario.
Nella tabella seguente si osservano le tipiche temperature della merce, dell’aria e di evaporazione per le utenze frigo di un supermercato tradizionale.

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La soluzione con compressore a bordo consente di rendere ogni utenza indipendente dalle altre dal punto di vista della temperatura di evaporazione, con il risultato di fornire a ciascun banco la capacità frigorifera necessaria.
Se si utilizzasse un compressore on-off, questo fornirebbe sempre la potenza nominale, mantenendo sempre costante il differenziale di temperatura tra aria e refrigerante e modulando la potenza con cicli di accensione/spegnimento.
L’utilizzo di compressori a velocità variabile elimina anche l’inefficienza legata ai carichi parziali a livello del singolo banco. Modulando in modo continuo la potenza frigorifera, si può puntare a mantenere la temperatura di evaporazione sempre al massimo valore consentito dalla richiesta di carico frigorifero, massimizzando l’efficienza  energetica e ottenendo inoltre una temperatura dell’aria più stabile.
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È da segnalare infine che una temperatura di evaporazione più vicina a quella ottimale consente anche di ottenere una minore formazione di ghiaccio sugli evaporatori, riducendo il numero di defrost.

Considerazioni sui costi

Uno degli aspetti più interessanti della soluzione con compressori a bordo è che i costi di investimento non sono superiori a quelli di un impianto tradizionale e che, a fronte di tali costi, si ottengono vantaggi in termini di affidabilità, flessibilità e manutenzione dell’impianto.
L’unico elemento che ha un costo superiore rispetto alla soluzione tradizionale risultano essere i banchi frigoriferi, dal momento che hanno a bordo il compressore e l’unità condensante.
Le apparecchiature che controllano la temperatura del waterloop e che  di fatto sostituiscono le centrali frigo sono caratterizzate rispetto ad esse da una maggiore affidabilità, dovuta all’utilizzo di compressori scroll (in luogo dei più costosi semi-ermetici a pistoni) operanti in un regime di temperatura sempre favorevole (alte temperature di evaporazione). Tali unità inoltre sono progettate per essere installate all’esterno eliminando l’eventuale necessità di locali macchine nel punto vendita.
Le tubazioni in rame necessarie per il refrigerante sono sostituite da tubazioni idrauliche, meno costose sia come materiali sia come costo di installazione. Il range di temperatura in cui operano permette di ridurre o evitare l’isolamento termico.
La riduzione di carica e delle perdite comporta, oltre alla diminuzione del contributo all’effetto serra, anche dei sensibili vantaggi di costo, specialmente in quei paesi dove i refrigeranti sono gravati da elevata tassazione.
La fase di commissioning dell’impianto risulta meno laboriosa poiché ogni unità è collaudata in fabbrica e non necessità di calibrazioni e di ottimizzazione della carica.
L’architettura di impianto consente facili spostamenti e sostituzioni delle unità, le uniche connessioni da modificare saranno quelle idrauliche. I chiller responsabili del raffreddamento dell’anello possono essere posti a qualsiasi distanza dalle utenze, senza problemi legati alle perdite di carico o all’aumento della quantità di refrigerante nell’impianto, come invece avviene con i sistemi centralizzati.
L’affidabilità è incrementata, rispetto alle soluzioni tradizionali, dal fatto che tutte le componenti dell’impianto sono assemblate e collaudate in fabbrica eliminando le problematiche di qualità legate all’assemblaggio sul campo. I compressori montati a bordo macchina, prodotti in grandi volumi da compagnie di alto livello tecnologico, sono anche avvantaggiati dal lavorare in condizioni di carica ottimale con ritorno dell’olio regolare.
I costi di gestione sono ridotti a causa della maggiore efficienza del sistema, dalla possibilità di recupero termico e di free cooling nelle stagioni in questo sia possibile, dalla riduzione delle perdite di refrigerante, che non possono in alcun modo andare oltre alla carica del singolo banco, cosa che semplifica la ricerca delle fughe, la loro riparazione e il recupero e ripristino della carica.

Dati supermercato reale

Il punto vendita scelto per i test sulla soluzione Waterloop è sito in Italia centrale e ha una superficie di 900 m2. Pur essendo una ristrutturazione di un supermercato esistente, esso è stato completamente rinnovato nella parte refrigerazione, riscaldamento e condizionamento, per cui può dal punto di vista impiantistico può essere considerato del tutto nuovo.
Sono presenti 19 banchi e 7 celle di media temperatura, 6 banchi e 2 celle di bassa temperatura, per un totale di 40 utenze e 30 compressori installati.

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Il circuito ad acqua è equipaggiato con una pompa di calore multifunzione da 100 kW di potenza frigorifera, una pompa di calore acqua/acqua da 23 kW e un dry cooler.
La carica di refrigerante per questo impianto è di circa 120 kg di R404A, ma tale valore sconta la necessità di attrezzare i banchi frigo con ricevitori aggiuntivi per scopi sperimentali. A regime si è stimato che la carica necessaria possa scendere sotto i 70 kg di refrigerante.

Sistema di acquisizione e controllo

Ogni banco è dotato di un controllore elettronico che si occupa delle normali funzioni (controllo temperatura, defrost, valvola elettronica, allarmi ecc) con l’aggiunta del pilotaggio del compressore a velocità variabile, con relativa gestione dell’inviluppo.
Ogni utenza comunica al sistema di supervisione tutti i dati di funzionamento di ciascun banco, tra cui le temperature di aria in mandata e in ripresa, di defrost, di scarico, le pressioni di mandata e di aspirazione, la posizione della valvola elettronica, la velocità di rotazione del compressore, gli stati di regolazione, defrost.
Sono installati cinque misuratori di energia elettrica per poter attribuire alle diverse componenti dell’impianto la loro quota parte del consumo totale di energia. Inoltre quattro misuratori di energia termica permettono di conoscere l’andamento dei flussi di calore.
Il sistema di acquisizione raccoglie i dati delle diverse utenze frigorifere, delle pompe di calore, delle sonde installate sull’anello ad acqua, e dei misuratori di energia elettrica e termica, consentendo un’analisi dettagliata del funzionamento dell’impianto.

Analisi

L’obiettivo dell’analisi è utilizzare i primi mesi di acquisizione dati nell’impianto sperimentale per generare un modello matematico che, una volta validato, possa essere confrontato con modelli relativi a diversi impianti tradizionali.

Modello supermercato Waterloop

Si sono utilizzati i dati forniti dal costruttore dei compressori e i valori acquisiti sul campo nel trimestre febbraio-aprile per ricavare, per ogni utenza frigorifera, un modello della capacità frigorifera fornita e della potenza elettrica assorbita.
Si sono confrontati i dati calcolati con i consumi elettrici registrati dagli analizzatori di rete e con i dati dei misuratori di energia termica e si è validato il modello rendendo possibile estrapolare il comportamento di questo tipo di impianto nell’arco dell’intero anno e in climi differenti.
Si è ipotizzato, ai fini del modello, che sull’anello ad acqua sia installato un chiller e si è volutamente trascurato il recupero termico.

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Confronto con le soluzioni tradizionali

Si sono scelti diversi tipi di supermercato tradizionale da confrontare con la soluzione waterloop:

  • Espansione diretta R404A con condensazione ed evaporazione fisse (Standard)
  • Espansione diretta R404A con condensazione ed evaporazione flottanti (Avanzato)
  • Impianto in cascata R134a/CO2
  • Impianto waterloop con compressori a velocità fissa

Il confronto è stato condotto considerando punti vendita con una superficie di 3000 m2, i dati del supermercato reale sono stati estrapolati di conseguenza.

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Il confronto avviene sulla base di un profilo termico annuale di una città europea, sulla base del quale si è calcolato un carico termico per le utenze.
Tali profili vengono applicati a tutti i modelli di supermercati presi in considerazione. I modelli degli impianti con compressori a bordo sono derivati dai dati del costruttore dei compressori e dall’acquisizione sul campo, gli altri sono generati utilizzando il software Pack Calculation II.
Il confronto con un supermercato ad anello ad acqua con compressori a bordo a velocità fissa è stato ottenuto applicando lo stesso profilo di temperature esterne e di carico termico e valutando i tempi di accensione e spegnimento dei compressori utenza per utenza, tenendo conto anche delle inefficienze del transitorio.
Ne risulta l’andamento di consumo elettrico relativo ai compressori e alla ventilazione di condensazione per ciascuno dei supermercati presi in considerazione.

Confronto degli effetti diretti sull’effetto serra

Sulla base di dati presenti in letteratura si sono calcolati dei dati sulla carica di refrigerante, sulle perdite e sullo smaltimento a fine vita dei diversi tipi di impianto simulati. Con queste premesse è stato stimato un valore di effetto diretto sul riscaldamento globale.

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Risultati

Sulla base dell’analisi descritta nel capitolo precedente si sono trovati i risultati riassunti in tabella per ciò che concerne il consumo elettrico.

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I valori di risparmio energetico sono da intendersi come energia risparmiata dal sistema Waterloop con compressori BLDC rispetto a ciascuna delle altre soluzioni prese in considerazione.
I calcoli di risparmio economico tengono conto di un costo del kWh elettrico minimo di 0.15 €/kWh e massimo di 0.25 €/kWh.
Come descritto in precedenza la soluzione waterloop risulta più efficiente non solo rispetto al supermercato standard, in cui condensazione ed evaporazione sono fisse, ma anche rispetto alle soluzioni più avanzate.
La possibilità di un’evaporazione indipendente per ogni utenza spiega il vantaggio rispetto ai sistemi con pressione di aspirazione flottante in cui è comunque l’utenza più sfavorita che determina la pressione di lavoro dell’intera linea.
Il vantaggio della soluzione con compressori BLDC a velocità variabile a bordo rispetto a quella con compressori a velocità fissa è spiegabile se si tiene conto dell’ottimizzazione della differenza di temperatura tra evaporazione e aria in ciascun banco e delle inefficienze legate al transitorio nelle fasi di accensione e spegnimento.
Per quanto riguarda l’impatto delle diverse soluzioni sull’effetto serra, tenendo conto delle tabelle precedenti è stato possibile calcolare il TEWI a dieci anni di ciascun impianto simulato, secondo la formula:
Con i seguenti significati e valori ipotizzati dei simboli.

  • GWP = Global Warming Potential R404A, 3800 kgCO2/kg
  • M = carica di refrigerante, vedi Tabella 4
  • Lyr = perdite annuali, vedi Tabella 4
  • N = anni di vita dell’impianto, 10 anni
  • Eyr = consumo annuale dell’impianto, vedi Tabella 5[1]
  • β = emissioni di CO2 per kWh, 0.6 kgCO2/kWh
  • α = percentuale di recupero refrigerante a fine vita, 95%

[1] Nel calcolo del contributo indiretto, differentemente rispetto alla Tabella 5,  si è tenuto conto anche del consumo della ventilazione e delle luci dei banchi e del consumo legato ai defrost.

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È interessante notare come la riduzione della carica (fino all’80%) e la limitazione delle perdite di refrigerante (dal 15% all’1%) resa possibile dalla soluzione waterloop abbatta drasticamente l’effetto serra diretto. Questo risultato, unito ai risparmi sul consumo elettrico visti sopra, contribuisce a ridurre sensibilmente il TEWI dell’impianto.
Va fatto notare che, data la riduzione del contributo diretto all’effetto serra, l’attenzione andrebbe  spostata sull’efficienza energetica dell’impianto piuttosto che sull’utilizzo di refrigeranti a basso GWP.

Conclusioni

Si sono utilizzati i dati provenienti da un impianto reale per elaborare un modello da usare come base per un confronto con altre tipologie di supermercati.
Sulla base dei calcoli si è stimato un risparmio energetico rispetto al supermercato standard del 29%, mentre rispetto a soluzioni più avanzate il valore è compreso tra l’8% e il 10%.
Sulla base di dati di letteratura sulle perdite e sulla carica di refrigerante si è concluso che la soluzione presa in esame rende trascurabile l’effetto diretto, ponendo in primo piano l’efficienza energetica del sistema piuttosto che la ricerca di un refrigerante con GWP inferiore.
In conclusione, la soluzione ad anello ad acqua con compressori BLDC a velocità variabile a bordo di ciascuna utenza permette di ottenere sensibili vantaggi dal punto di vista dell’efficienza energetica sia da quello dell’impatto sull’effetto serra.

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