Efficienza energetica nei circuiti idronici
INTRODUZIONE
Nell’ultimo decennio, chi ha scelto di affrontare la progettazione in un’ottica integrata ha potuto sfruttare le notevoli potenzialità offerte da un simile approccio.
E’ possibile affermare che in termini di requisiti, strumenti e approccio progettuale si è assistito ad un miglioramento diffuso e ad un aumento del risparmio energetico nei sistemi di pompaggio.
Scopo del presente articolo è illustrare come un approccio integrato affiancato dall’utilizzo di idonei software di progettazione possa portare, nel campo dei sistemi idronici, ad un evidente incremento dell’efficienza energetica.
APPROCCIO METODOLOGICO
Cosa significa affrontare la progettazione in un’ottica di sistema integrato?
Come tale approccio può portare consistenti effetti sull’efficienza energetica degli impianti idronici?
Le principali differenze tra il metodo classico di progettazione e il nuovo approccio integrato proposto nel presente lavoro sono riassunte nella tabella seguente:
| STRUMENTI | COMPONENTI | APPROCCIO |
METODO CLASSICO | Dimensionamenti basati su condizioni di progetto e calcoli in regime stazionario | Pompe a velocità fissa Valvole a 3 vie Sistemi BAS/SCADA | Sequenziale |
METODO INTEGRATO | Dimensionamenti basati su condizioni reali e calcoli in regime dinamico | Pompe a velocità variabile Valvole a 2 vie Sistemi di EMS | Integrato |
I principali componenti coinvolti nell’incremento dell’efficienza del circuito idronico e utilizzati in un’ottica di progettazione integrata sono:
- le valvole di regolazione;
- i regolatori con relativi protocolli di comunicazione;
- i sistemi di pompaggio.
Il tutto naturalmente integrato da adeguato know-how di progettazione.
Tali componenti sono ripresi e proposti in un’ottica di completa integrazione dall’ approccio Smart Flow ideato e diffuso da Belimo, Salmson, Coster e Planex.
Una delle basi di partenza di un approccio Smart è l’utilizzo di software di modellazione dinamica per il corretto dimensionamento dei componenti d’impianto.
Il caso studio utilizzato per stimare gli effetti dell’approccio Smart Flow è un centro turistico alberghiero in Trentino e l’analisi presentata in questa sede prevede l’analisi del solo periodo invernale.
FASE 1 – STIMA DEI CARICHI CON METODO DINAMICO
Come visibile in Figura 1A, è possibile calcolare i carichi termici con un approccio dinamico, le cui fondamentali caratteristiche sono:
- utilizzo di files climatici orari per la caratterizzazione climatica della località di progetto
- calcolo dettagliato della risposta inerziale del sistema edificio/impianto
- modellazione specifica dei singoli componenti di impianto.
Come è possibile vedere, le condizioni critiche per quella località vengono raggiunte in particolare momenti dell’anno e non costituiscono condizioni costanti di lavoro del sistema.
Il confronto in termini numerici è riportato in Figura 1B, in cui la differenza tra il carico di progetto calcolato con i metodi tradizionali ed il carico massimo effettivo, calcolato con metodi innovativi e l’utilizzo di software di simulazione è evidente e pari a circa il 44%.
A)
B)
Figura 1 – Dimensionamento con software di simulazione dinamica. A) Andamento carichi di progetto in regime dinamico. B) Differenza tra i carichi di picco calcolati con differenti metodi.
Attraverso un simile approccio è, inoltre possibile, calcolare l’effettiva distribuzione di frequenza dei carichi termici, evidenziando come quasi mai le condizioni di picco si verifichino durante l’anno.
Un esempio di tale approccio è riportato in Figura 2 ove si può notare come per il 67% delle ore annuali il carico di progetto sia entro il 25% del carico di picco.
FASE 2 – EFFICIENZA DEI COMPONENTI AI CARICHI PARZIALI
Tale analisi conduce al tema connesso all’efficienza energetica nei circuiti idronici e, in particolare, legato la comportamento dei componenti a carichi parziali. Si riporta in Figura 3 l’andamento tipico dei componenti elettrici a diverse condizioni di carico.
Come è possibile notare, per i motori asincroni l’efficienza si riduce al 70%, al 25% del carico, percentuale che scende al 10% del carico per gli inverter.
E’ stimabile che il decadimento del rendimento al 50% del carico sia anche del 60% vanificando il beneficio ottenibile con una riduzione delle portate di progetto. La soluzione ad un tale problema è da ricercare nella scelta di componenti impiantistici efficienti anche a condizioni di carico parziale come quelli proposti dall’approccio Smart Flow già introdotto.
A)
B)
Figura 3 – Prestazione dei componenti ai carichi parziali. A) Motore asincrono. B) Inverter [1]
FASE 3 – INTEGRAZIONE DEI COMPONENTI
Un successivo tema è legato alla corretta integrazione e regolazione dei singoli componenti.
Andiamo con ordine ripercorrendo brevemente le logiche di regolazione di circolatori e valvole. Attualmente i metodi più diffusi per la regolazione delle pompe di circolazione sono sostanzialmente due:
- Regolazione a prevalenza costante: la pompa modula i giri mantenendo ai capi una prevalenza costante al variare del carico di sistema;
- Regolazione a prevalenza variabile secondo una curva prevalenza/portata (rampa) preimpostata
Per quanto riguarda le valvole, esse hanno la funzione di modificare in modo controllato la portata di un fluido che alimenta un processo.
Il sistema tradizionale attende che il regolatore in ambiente percepisca una variazione della temperatura dell’aria in ambiente, per inviare alla valvola il segnale di posizionamento; qualora un determinato terminale si trovasse a dover erogare a massima potenza, in un contesto di forte parzializzazione delle altre aree di edificio, e di conseguenza con una forte riduzione della prevalenza disponibile (nel caso di regolazione a rampa), accade che tale terminale non venga alimentato con la portata necessaria e di conseguenza non possa erogare la potenza richiesta. Tale processo è comunque indipendente dalla regolazione della pompa di circolazione del circuito che reagisce anch’essa passivamente alle nuove condizioni pressorie createsi nel circuito.
Una novità nella logica di regolazione è rappresentata dalla possibilità di regolare il numero di giri della pompa di circolazione attraverso un algoritmo di regolazione chiamato Pump Optimizer [2], messo a punto da Pedranzini et al. e recentemente riproposto da Belimo, in cui riducendo gradualmente la pressione di mandata, si ottiene una graduale apertura delle valvole dettata dall’esigenza della regolazione di ogni zona di mantenere le rispettive portate dimensionate per controllare il relativo carico.
RISULTATI
Il risultato di analisi numeriche condotte simulando il comportamento dei vari componenti così come proposti nell’approccio Smart Flow, ha condotto ai risultati riportati in Figura 4. In Figura 4A è possibile notare come il corretto dimensionamento dei componenti di sistema avvicini il numero di ore annuo di funzionamento della pompa di circolazione (ore di funzionamento DP variabile con Pump Optimizer) al fattore di carico dell’intero sistema edificio-impianto. Tale condizione è favorevole se vengono utilizzati componenti efficienti a quelle condizioni di carico. In Figura 4B viene riportato il calcolo dei costi annuali di pompaggio in 5 casi differenti:
- Old style RPM costanti: i carichi di sistema sono calcolati in maniera standard e non sono presenti pompe di circolazione a giri variabili
- New style RPM costanti: i carichi di sistema sono calcolati con metodo dinamico e non sono presenti pompe di circolazione a giri variabili
- New style DeltaP costante: i carichi di sistema sono calcolati con metodo dinamico e la pompa di circolazione regola il numero di giri mantenendo un differenziale di pressione costante
- New style DeltaP variabile: i carichi di sistema sono calcolati con metodo dinamico e la pompa di circolazione regola il numero di giri mantenendo un differenziale di pressione secondo il metodo della rampa descritto in precedenza.
- New style Pump Optimizer: i carichi di sistema sono calcolati con metodo dinamico e la pompa di circolazione regola il numero di giri sulla base dell’apertura della valvola in quel momento sottoposta a condizioni più sfavorevoli.
A)
B)
Figura 4 – Logica Smart Flow. A) Confronto condizioni di carico per la pompa di circolazione. B) Confronto costi annui di pompaggio
Appare evidente come la riduzione dei costi annuali di pompaggio, in questo specifico caso studio analizzato, sia potenzialmente molto consistente arrivando ad un 5% dei costi annuali di pompaggio sostenuti senza l’implementazione di logiche di regolazione componenti efficienti.
CONCLUSIONI
L’efficienza energetica nel sistema edificio-impianto è ormai richiamata e perseguita dalle principali direttive europee del settore.
L’effetto di tale indirizzo è quello di una maggior consapevolezza degli stati membri che hanno ormai avviato un processo di recepimento che non prescinde più da tali indicazioni.
Tra i numerosi settori in cui l’efficienza energetica è perseguibile, si ritaglia un importante ruolo, anche il settore dei sistemi idronici. Attraverso una corretta implementazione di un processo virtuoso, rappresentato dall’approccio Smart Flow proposto dai partner Belimo, Salmson, Coster e Planex, che coinvolge logiche di regolazione, componenti efficienti, architettura del sistema di comunicazione che non possono essere lasciate all’iniziativa di singoli fornitori di componenti ma devono essere correttamente integrate grazie a un adeguato know-how di progettazione che possa garantire scelte ottimizzate a livello di sistema.
Solo così è possibile raggiungere notevoli risparmi energetici nel circuito di pompaggio dei fluidi, con costi di investimento ottimizzati. Il risultato ottenuto da prime esperienze e valutazioni porta a stimare una riduzione del 70% dei costi annui di circuito di pompaggio con riferimento ai metodi tradizionali.
BIBLIOGRAFIA
[1] «A Field Perspective on Engineering,» [Online]. Available: https://av8rdas.wordpress.com/. [Consultato il giorno 02 06 2015].
[2] F. Pedranzini, C. M. Joppolo e A. Pasini, «Impianti a portata variabile per il controllo della qualità dell’aria: applicazione di sistemi ad alta efficienza,» in Convegno internazionale AICARR.
