Come possiamo ottimizzare i sistemi HVAC per rispondere all'uso reale, risparmiare energia e fornire un ambiente sano e confortevole per gli 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 vengano 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 massime temperature estive e la luce solare intensa, i sistemi di riscaldamento sono progettati per i giorni più freddi dell'anno e i sistemi di ventilazione si basano sui massimi livelli 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 effettivi è molto ampia e, come vedremo, è in continuo aumento.
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 opportunità di lavoro flessibili. 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 contribuiscono a questi fenomeni, si prevedono eventi meteorologici più estremi in futuro. È probabile che l'Europa affronti estati più calde e secche. Questo, combinato con l'effetto isola di calore urbano che aggrava le temperature estive con condizioni di calore elevato nelle aree in cui si trovano molti uffici ed edifici commerciali, nonché con la valutazione di come progettare la mitigazione del calore a livello urbano e stradale, probabilmente farà sì che i carichi di picco per i quali sono progettati gli impianti degli edifici siano 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 nella 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'occupazione completa e in condizioni di picco estive o invernali.
Dobbiamo quindi prendere una decisione riguardo a queste batterie che non necessitano della piena capacità. La soluzione tradizionale sarebbe quella di ridurre la portata 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 chiller/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%. Azionare una pompa di calore a una temperatura inferiore di un grado ne aumenta l'efficienza 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 per il raffrescamento e di oltre il 30% di energia per il 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 utilizzare 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 con l'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 il free-cooling aumenta considerevolmente, con un enorme risparmio energetico.
Possiamo anche sfruttare il raffrescamento naturale disponibile dal terreno utilizzando una pompa di calore/chiller geotermica. 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 ambienti. Molte pompe di calore possono anche funzionare in modalità raffrescamento, fornendo un raffrescamento efficiente dissipando il calore nel terreno attraverso il circuito del fluido geotermico. Questo tipo di sistema è perfetto per il raffrescamento passivo in condizioni di carico parziale: bypassare la pompa di calore e raffreddare il sistema direttamente utilizzando la temperatura più bassa del terreno è un modo estremamente efficiente di raffrescamento. 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 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 tutti questi componenti. Oltre a ciò, il risparmio energetico si ottiene utilizzando i normali componenti 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 aprile 2023
