Come possiamo ottimizzare i sistemi HVAC per rispondere all'uso reale, risparmiare energia e fornire un ambiente sano e confortevole agli occupanti dell'edificio?
Energia all'interno degli edifici
Il risparmio energetico è uno degli argomenti più importanti per molte aziende del settore edile. Poiché gli impianti di riscaldamento, ventilazione e condizionamento (HVAC) rappresentano una quota considerevole del consumo energetico di un edificio durante il suo ciclo di vita, la tecnologia specificata e utilizzata negli edifici dovrebbe essere all'avanguardia per quanto riguarda il risparmio energetico. I prodotti per la ventilazione, il riscaldamento e il raffrescamento stanno diventando progressivamente più efficienti, spinti dalla legislazione e dallo sviluppo di nuove tecnologie nei componenti. Tuttavia, nel passaggio a nuove tecnologie efficienti, è necessario garantire che quelle esistenti siano utilizzate nel modo più intelligente ed efficiente.
In genere, i sistemi HVAC sono progettati per un utilizzo dell'edificio nelle peggiori condizioni. I sistemi di raffreddamento sono progettati per le temperature estive più elevate e la luce solare intensa, i sistemi di riscaldamento sono progettati per i giorni più freddi dell'anno e i sistemi di ventilazione sono basati sui livelli massimi di occupazione. Questo è ottimo per progettare edifici resilienti, adatti a tutte le condizioni. Ma è davvero così che vengono utilizzati?
I sistemi progettati per carichi di picco saranno utilizzati molto raramente a questi livelli di progetto, se non mai. Per la maggior parte del loro ciclo di vita, funzioneranno a una frazione del carico di progetto. Questa disparità tra i carichi di picco di progetto e i carichi operativi reali è molto ampia e, come vedremo, è destinata ad aumentare ulteriormente.
Il divario di performance presente e futuro
Due fattori faranno sì che la differenza tra i punti di progettazione e quelli operativi diventi ancora più estrema.
Oggi gli edifici sono utilizzati in modo più flessibile, in particolare gli uffici e le applicazioni commerciali, poiché alle aziende e ai dipendenti vengono offerte possibilità di lavoro flessibile. Un sistema di ventilazione e raffreddamento di un edificio per uffici progettato per essere pienamente occupato nel 2020, difficilmente raggiungerà lo stesso livello di occupazione nel 2023 e oltre.
Il riscaldamento globale sta già avendo un impatto sugli eventi meteorologici estremi e, nonostante modifiche sostanziali ai fattori che ne determinano la presenza, in futuro si prevedono eventi meteorologici più estremi. È probabile che l'Europa affronti estati più calde e secche. Questo, unito all'effetto isola di calore urbana che aggrava le temperature estive con condizioni di calore elevato nelle aree in cui si trovano molti uffici ed edifici commerciali, nonché alla riflessione su come progettare la mitigazione del calore a livello urbano e stradale, probabilmente porterà i carichi di picco per i quali sono progettati gli impianti edilizi a essere ancora più distanti dal funzionamento quotidiano degli edifici.
I progettisti edilizi devono integrare il nuovo modo di utilizzare gli edifici e i rischi futuri derivanti da condizioni meteorologiche estreme nella progettazione edilizia attuale, sia in fase di sviluppo che di ristrutturazione.
Trovare le efficienze nel divario di performance
Quando un sistema HVAC funziona a carico parziale, di solito funziona in modo più efficiente. Le unità di trattamento aria (UTA) che funzionano a metà velocità del ventilatore consumano meno di un quarto della potenza assorbita. Un refrigeratore o una pompa di calore che funziona a carico parziale sfrutta al massimo il suo scambiatore di calore per funzionare a un'efficienza maggiore. Tuttavia, è questo ciò che la tecnologia a nostra disposizione consente?
Se riusciamo a controllare le nostre unità di trattamento aria in modo che forniscano solo la quantità di aria necessaria agli occupanti dell'edificio, utilizzando la ventilazione controllata dalla domanda (DCV), le serpentine di raffreddamento e riscaldamento dimensionate per la piena capacità possono controllare la temperatura dell'aria fresca utilizzando molta meno energia.
Anche le batterie all'interno dei fan-coil o delle travi fredde che servono gli spazi interni non devono funzionare a pieno carico, poiché queste unità vengono solitamente selezionate per un utilizzo intensivo e in condizioni di picco estive o invernali.
Dobbiamo quindi prendere una decisione riguardo a queste batterie che non necessitano della piena capacità. Il percorso tradizionale sarebbe quello di ridurre il flusso del liquido di raffreddamento o di riscaldamento tramite una valvola. Questo è un modo semplice per controllare localmente ed è standard in quasi tutti i sistemi. Tuttavia, se avessimo un collegamento leggermente più intelligente tra il refrigeratore/pompa di calore e la batteria, potremmo anche ottimizzare la temperatura del liquido che serve la batteria. Una batteria di raffreddamento progettata per utilizzare acqua a 6 °C, al 100% della capacità, non necessita di quella temperatura al 50% della capacità.
La modifica della temperatura dell'acqua nelle serpentine serve ad aumentare l'efficienza del refrigeratore/pompa di calore. Aumentando di un grado la temperatura dell'acqua in uscita da un refrigeratore, l'efficienza aumenta di circa il 3%. Azionando una pompa di calore a una temperatura inferiore di un grado, l'efficienza aumenta in modo analogo.
Pertanto, analizzando la domanda proveniente dalle batterie che controllano il comfort negli ambienti, sia nell'UTA che nell'ambiente, è possibile farle funzionare a una temperatura dell'acqua ottimizzata per la maggior parte del tempo. Infatti, recenti calcoli sulle UTA collegate alle pompe di calore mostrano che la temperatura dell'acqua può essere ottimizzata per oltre il 95% del tempo di funzionamento, con un risparmio di oltre il 20% di energia di raffreddamento e di oltre il 30% di energia di riscaldamento. Questo semplicemente controllando il sistema in modo più intelligente.
Questo tipo di controllo della capacità garantisce comunque un ottimo comfort ambientale e vantaggi energetici, riducendo le oscillazioni di temperatura e le correnti d'aria nella stanza, se opportunamente controllato.
Raffreddamento passivo e gratuito
Se il refrigeratore dispone di free-cooling, l'ottimizzazione delle temperature dell'acqua ha un effetto ancora maggiore sull'efficienza. Il free-cooling si verifica quando il circuito dell'acqua di raffreddamento viene raffreddato direttamente dall'aria esterna anziché utilizzando il circuito di raffreddamento DX del refrigeratore. In genere, una parte del free-cooling è disponibile quando la temperatura dell'aria ambiente è di un grado Celsius inferiore alla temperatura dell'acqua di ritorno. La quantità di free-cooling aumenta all'aumentare della differenza tra la temperatura ambiente e quella dell'acqua, finché il refrigeratore non riesce a fornire tutto il raffreddamento necessario utilizzando la sua funzione di free-cooling. Per ogni grado di aumento della temperatura dell'acqua di raffreddamento, il numero di ore in cui è possibile ottenere free-cooling aumenta considerevolmente, con un risparmio enorme di energia.
Possiamo anche sfruttare il raffrescamento naturale disponibile dal terreno utilizzando una pompa di calore/chiller geotermico. I sistemi geotermici raccolgono il calore di bassa temperatura presente nel terreno tramite un circuito di fluido termovettore e lo moltiplicano tramite una pompa di calore per produrre un riscaldamento efficace ed efficiente per i nostri spazi. Molte pompe di calore possono anche funzionare in modalità raffrescamento, fornendo un raffrescamento efficiente dissipando il calore nel terreno attraverso il circuito del fluido termovettore. Questo tipo di sistema è perfetto per il raffrescamento passivo in condizioni di carico parziale: bypassare la pompa di calore e raffreddare direttamente il sistema sfruttando la temperatura più bassa del terreno è un metodo di raffrescamento estremamente efficiente. Proprio come con il free-cooling, l'ottimizzazione delle temperature dell'acqua in funzionamento a carico parziale consente al sistema di funzionare in raffrescamento passivo per il massimo tempo possibile, con il massimo risparmio energetico.
Controllo e intelligence
Per raggiungere questo obiettivo, è necessario disporre di un sistema di controllo in grado di riconoscere il carico richiesto alla/e batteria/e e di utilizzare queste informazioni per ottimizzare di conseguenza le temperature del chiller/pompa di calore. È necessaria un'intelligenza integrata nei chiller, nelle pompe di calore, nelle unità di trattamento aria e nelle unità ambiente. È essenziale comprendere i limiti dei singoli prodotti, i loro limiti di funzionamento e sapere quando non ottimizzare. Inoltre, un sistema di controllo di livello superiore deve comunicare efficacemente tra tutte queste parti del sistema. Oltre a ciò, il risparmio energetico si ottiene utilizzando le normali parti del sistema, non investendo in apparecchiature più efficienti in particolare, ma controllando ciò che abbiamo in modo più intelligente.
Indipendentemente dal fatto che i sistemi con cui lavoriamo siano sistemi già installati in un progetto di ristrutturazione o un nuovo sviluppo che utilizza nuovi prodotti efficienti e all'avanguardia, i principi di ulteriore risparmio energetico nel funzionamento a carico parziale sono sempre validi come metodo efficace e sostenibile per ridurre i costi operativi.
Data di pubblicazione: 26-04-2023
