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LA SPINTA VERSO UNA MAGGIORE EFFICIENZA ENERGETICA NEGLI IMPIANTI HVAC STA PORTANDO A CONSIDERARE SEMPRE DI PIÙ L’IMPIEGO DI BATTERIE AD ESPANSIONE DIRETTA NELLE UNITÀ DI TRATTAMENTO D’ARIA COLLEGATE A SISTEMI A PORTATA DI REFRIGERANTE VARIABILE.

Luca Ferrari

UNITÀ DI TRATTAMENTO D’ARIA CON BATTERIE AD ESPANSIONE DIRETTA

li impianti di climatizzazio-ne a tutta aria realizzati nel nostro paese sono costituiti essenzialmente da una (o più) unità di trattamento d’a-ria con batteria di scambio termico idronica collegata a un gruppo frigorifero e a un generatore termico.Questo tipo di impianto, pur nelle sue limitazioni ha assol-

to, positivamente per alcuni decenni, il compito di offrire un controllo sicuro delle condizioni ter-moigrometriche negli edifici.I recenti sviluppi nel campo dell’efficienza ener -getica e della sostenibilità ambientale stanno portando in auge nuove varianti di impianti che prevedono la trasformazione del sistema idronico verso soluzioni ad espansione diretta, graduato attraverso varie alternative. Va detto che l’utilizzo dei sistemi ad espansione diretta non sono certamente una recente scoperta tecnologica. Negli Stati Uniti si sono iniziati ad utilizzare già nel dopoguerra e da allora si sono progressi-vamente affermati sul mercato, ma nel nostro paese scontano un ritardo in parte causato dal-la difficoltà nel progetto delle linee frigorifere del refrigerante tra unità condensanti e batterie, rispetto ai circuiti idronici. Una problemetica le-gata soprattutto al cambiamento di stato del refrigerante nel circuito e alla necessità di assi-curare il corretto ritorno dell’olio al compressore in tutte le condizioni di carico.A questo fattore si deve aggiungere una natu-rale predisposizione degli installatori verso i cir-cuiti idronici, dovuta in prevalenza alla carente

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Fig. 1 - I kit di collegamento tra unità di trattamento dell’aria dotate di batteria ad espansione diretta e le unità esterne VRF, attraverso opportuni interfacce di controllo, consentono una agevole installazione e regolazione della funzionalità della macchina. Viene così sfruttata a pieno l’efficienza energetica dei sistemi VRF (Toshiba).

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preparazione sull’argomento, e di pari passo alle preferenze dei costruttori da sempre più favorevoli allo sviluppo di gruppi refrigeratori d’acqua per gli impianti, rispetto ai sistemi, sep-pure potenzialmente più efficienti, con unità motocondensanti remote collegate con linee frigorifere alle batterie delle unità di trattamento.Attualmente le multinazionali, soprattutto giapponesi, stanno invece diventando motore di questa trasformazione iniziata nei loro paesi già nei lontani primi anni 70. La vasta esperien-za nel frattempo accumulata, grazie anche alle ormai numerose applicazioni di sistemi VRF e le precise indicazioni contenute negli Handbook Ashrae per la maggior parte dei refrigeranti, permette di affrontare il progetto delle linee frigorifere senza incertezze e con la sicurezza dei risultati.Le unità di trattamento dell’aria dotate di batte-ria ad espansione diretta costituiscono un’inno-vazione sempre più importante per questo tipo di macchine e, oltre ad aumentarne l’efficienza di funzionamento, ne hanno ampliato l’offerta di optional, migliorando anche i consueti limiti termodinamici, in modo da rispondere positiva-mente anche ai requisiti delle applicazioni in cui vengono richieste ingenti quantità di ricambio d’aria esterna. Di seguito descriviamo la novità più rappresen-tative nel campo delle unità di trattamento a espansione diretta sul mercato, in un’offerta

che tende ad ampliarsi e potrà in parte trasfor-mare il settore. Esse aprono inoltre un capitolo nuovo nello svi-luppo degli impianti di climatizzazione e non sorprende che siano state sviluppate per inte-grarsi con i più moderni tipi di impianti: VRF, a travi fredde e per applicazioni di deumidifica -zione delle piscine e nel wellness, oltre a nume-rosi settori del comparto industriale. L’utilizzo di sistemi compressorizzati con Inverter permette poi di raggiungere efficienze energetiche sta -gionali (SEER) sensibilmente maggiori con un migliore e più preciso controllo delle condizioni termoigrometriche in ambiente rispetto a siste-mi meno avanzati.

Condizioni di esercizioLe condizioni di lavoro ottimali di una batteria ad espansione diretta si ottengono in raffred-damento con una temperatura di evaporazione del fluido refrigerante di 7 °C e di 44 °C nel ciclo inverso di condensazione del gas/liquido (riscaldamento).Vi sono inoltre delle limitazioni ben definite sul -le temperature di esercizio dell’aria da trattare nell’unità, che devono essere contenute in uno specifico intervallo, pena possibili fenomeni di congelamento delle batterie (in raffreddamento, 18 – 32 °C) o di una interruzione della conden-sazione del fluido refrigerante (in riscaldamento, 15 – 28 °C) con il dannoso ritorno del liquido al

compressore e conseguente blocco del siste-ma frigorifero. Queste limitazioni fanno sì che per le macchine che trattano prevalentemente l’aria di rinnovo, bisogna spesso prevedere un pretrattamento (anche da recupero energetico) dell’aria esterna prima del passaggio attraver-so la batteria ad espansione o una opportuna miscelazione con l’aria di ripresa ambiente (o entrambe le procedure).Va inoltre ricordato che la versatilità delle batterie di raffreddamento ad acqua (in spe-cial modo nel raffreddamento) si esplica nel funzionamento indifferente con differenze di temperature e portate diverse, e nei regimi a carichi parziali, potendo ridurre la potenzialità della batteria attraverso una valvola a due/ tre vie comandata dal termostatato ambiente.Viceversa, nei sistemi con batterie ad espan-sione diretta la riduzione di potenzialità avviene in modo differente, la batteria viene di norma suddivisa in due circuiti differenti ciascuno do-tato della propria valvola a solenoide, di valvola termostatica e distributore del refrigerante. Al ridursi del carico termico al di sotto di un cer-to valore, il termostato ambiente comanda la chiusura della valvola a solenoide di uno dei due circuiti. Il circuito rimasto attivo soddisfa le esigenze del carico ambientale rimasto. Un solo circuito può soddisfare oltre il 60% della capacità termica della batteria.

Fig. 2 - Le unità di trattamento dell’aria dotate di batteria ad espansione diretta stanno diventando sempre più parte di un sistema integrato di climatizzazione che utilizza i terminali VRF come unità frigorifere reversibili (Toshiba).

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Sistemi VRF e idroniciI sistemi a espansione diretta rispetto a quelli idronici presentano una maggiore efficienza energetica, stimabile mediamente intorno a un 5% - 7% per le condizioni tipiche della cli-matizzazione, dovuta al fatto che nel circuito si produce un solo scambio termico: tra il frigo-rigeno che si spande entro la batteria e l’aria che attraversa la batteria stessa. Nei sistemi idronici lo scambio termico è invece duplice: dapprima tra il refrigerante e l’acqua nell’evapo-ratore del gruppo frigorifero e successivamente tra l’acqua refrigerata e l’aria nella batteria di raffreddamento entro l’UTA. L’acqua refrigera-ta viene inoltre veicolata nel circuito attraverso delle pompe che, oltre ad assorbire l’energia per il proprio funzionamento, immettono calore nel circuito stesso. Così come l’acqua refrigerata assorbe calore dall’aria durante il percorso dal refrigeratore all’unità di trattamento dell’aria e poi di ritorno di nuovo al refrigeratore. Questo fa si che aumenti il carico raffreddante richiesto al refrigeratore con conseguente diminuzione dell’efficienza dell’intero sistema. Viceversa, le batterie ad espansione diretta po-ste nelle centrali di trattamento dell’aria, sono collegate direttamente all’unità refrigerante, po-

sta di norma ad una breve distanza dall’unità, evitando i fenomeni di assorbimento del calore degli impianti idronici.I sistemi VRF richiedono un minor diametro delle linee frigorifere rispetto alle tubazioni del circuito idraulico. Infatti il refrigerante ha una capacità volumetrica di trasporto dell’energia frigorifera di circa 10 volte maggiore di quella dell’acqua, a causa del suo elevato calore laten-te di vaporizzazione contro il modesto (a para-gone) calore specifico dell’acqua. Al riguardo un’altra non meno importante considerazione può farsi relativamente al COP di trasporto ener-gia frigorifera del refrigerante rispetto all’acqua, che è di circa 7,5 volte maggiore.Inoltre, i sistemi a espansione diretta permet-tono una maggior rapidità nell’erogazione di energia frigorifera su domanda improvvisa, a parità di altre condizioni rispetto ai sistemi idro-nici. Si tratta di una caratteristica in generale poco nota, che invece ha la sua importanza in impieghi speciali, ad esempio nella neutra-lizzazione di carichi radianti istantanei prodotti da riflettori, come si verifica nei palcoscenici dei teatri o negli studi televisivi. In questi ambiti, gli attori possono essere investiti da un istante all’altro da carichi radianti di elevata intensità

che richiedono una neutralizzazione altrettanto rapida. L’inerzia termica di batterie idroniche per gli ingenti contenuti d’acqua può non consentire una risposta sufficientemente veloce, mentre l’espansione del refrigerante entro una batteria opportunamente sezionata può produrre una risposta quasi in tempo reale.Infine, per i sistemi VRF non esiste alcun rischio di gelo nel caso di applicazioni all’esterno e la disponibilità di batterie standardizzate e certi-ficate semplifica il processo di selezione e di validazione delle prestazioni L’interesse verso i sistemi a espansione diretta si è accentuato ulteriormente negli ultimi tempi per la comparsa sul mercato di unità conden-santi equipaggiate con compressori seriali dotati di inverter, che consentono una variazione di capacità in modo continuo da circa il 30% al 100% e oltre, mantenendo sempre molto eleva-ta l’efficienza energetica. L’uso del refrigerante R 410A è ormai generalizzato su tutti i modelli.

I recenti sviluppiIn particolar modo, i costruttori stanno lavoran-do nella direzione di poter fornire collegamen-ti “plug and play” tra le unita di trattamento dell’aria dotate di batteria ad espansione diretta, specie per quelle destinate al trattamento dell’a-ria di rinnovo, e i sistemi di refrigerazione VRF. Risulta cosi decisamente interessante lo svilup-po di opportuni moduli che consentono un col-legamento agevole tra i sistemi VRF e le batterie ad espansione diretta, anche di produttori terzi.Questi moduli sono costituiti da opportune inter-facce meccaniche (valvola di espansione) e di controllo. Allo stesso modo interessanti, perché molto versatili ed efficienti, anche le nuove unità per il trattamento dell’aria esterna.In ultimo, anche se concettualmente diver-se, si segnalano le ultime versioni della unità monoblocco in grado di trattare l’aria esterna, naturalmente dotate anch’esse di batterie ad espansione diretta, in grado di soddisfare con efficienze mai viste, molteplici regimi stagionali.

Collegamento tra batteria ad espansione diretta e unità motocondensante L’esigenza di assicurare i necessari ricambi d’a-ria esterna negli edifici previsti dalle normative (e dalla buona progettazione), ha portato i costrut-tori dei sistemi VRF alla ricerca e allo sviluppo di nuove sinergie con le unità di trattamento aria.Così, al fine di poter collegare l’unità motocon -

Fig. 3 - Il kit di collegamento UTA-VRV è composto da un modulo meccanico costituito dalla valvola di espansione e da un interfaccia elettronica di controllo, con la possibilità di essere preassemblato e inserito in fabbrica direttamente nella UTA dal costruttore (Daikin).

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densante esterna VRF ad un’unità di trattamen-to aria dotata di batteria ad espansione diretta, i costruttori hanno realizzato opportuni moduli per agevolare le dinamiche di controllo.Toshiba in questo campo ha predisposto l’in-terfaccia Direct Expansion Coil. Il kit è composto da una o più schede di con-trollo (MM-DXC010) e valvole di laminazione PWM (Pulse With Modulation), da installarsi di-rettamente sulla batteria ad espansione diretta posta nell’UTA (figure 1 e 2).Il sistema così costituito permette il controllo della temperatura dell’aria di mandata trami-te misurazione della temperatura dell’aria in ingresso all’UTA. I vantaggi del sistema risie-dono nella possibilità di collegare agevolmente una UTA personalizzata, anche di altri fornitori e/o preesistente, ai sistemi VRF Toshiba. Il kit è dotato di un pulsante on-off dell’UTA e di indicatori per la segnalazione di anomalie nel funzionamento del ventilatore. Le portate d’aria gestite arrivano fino a 25.000 m 3/h. Anche Daikin, sempre per agevolare l’accop-piamento dei propri sistemi alle unità di tratta-mento dell’aria dotate di batteria ad espansione diretta, prevede la fornitura di un kit composto dalla valvola di espansione EKEXV e da una centralina di controllo EKEQ in grado di sem-plificare la connessione ‘plug and play’ anche di prodotti terzi.Il collegamento fino alle potenzialità medie avviene con le unità motocondensanti ERQ, mentre nel caso si abbia l’esigenza di trattare potenze maggiori, viene utilizzata la gamma

a volume di refrigerante variabile VRV IV, che prevede anche una combinazione con unità in-terne per una gestione globale delle condizioni di comfort in raffreddamento/riscaldamento.Il controllo delle batterie ad espansione diretta può essere condotto secondo tre distinte opzio-ni: nella prima (X), la temperatura di immissione è strettamente controllata da un sistema DDC, anche di terze parti. Una versione migliorata (W) traduce la differenza di temperatura tra setpoint e temperatura dell‘aria di aspirazione (o temperatura di mandata aria o temperatura ambiente) in una tensione di riferimento (0-10V) che viene trasferita al quadro elettrico Daikin (EKEQ), consentendo in questo modo infinite capacità di controllo. Nella seconda (Y) priva di DCC, al fine di ottenere una soluzione eco -nomica per il controllo dell’aria di rinnovo, le temperature di condensazione e di evaporazio-ne vengono mantenute fisse. La regolazione in questo caso risulta consigliata con temperatu-re esterne e interne che rimangono pressoché stabili durante tutto l’anno.L’ultima opzione (Z), controlla la temperatura di ritorno dell’aria attraverso un termostato am-biente e permette di regolare in contemporanea l’UTA e le unità interne VRV. Quest’ultima op-zione viene in special modo indicata nell’ambito aziendale/terziario in cui sono presenti diverse unità VRV interne. La batteria ad espansione diretta collegata ad una singola UTA raggiun-ge una capacità di raffreddamento di oltre 150 kW. Il kit può essere installato direttamente all’interno delle centrali di trattamento Daikin

(figura 3), come ad esempio nel modello Mo -dular, rendendo quasi immediata la messa in opera dell’intero sistema. Modulo analogo per Mitsubishi Electric, che attraverso il controllore UTA PAC-AH-M-J ha realizzato un’interfaccia per consentire la con-nessione a terzi dell’unità di trattamento aria. Il modulo consente di riscaldare attraverso la bat-teria posta all’interno di un UTA ingenti quantità di aria esterna o in raffreddamento utilizzando la reversibilità della medesima unità esterna. Le unità esterne VRF City Multi possono così esse-re utilizzate per mezzo di questa interfaccia, e risultano la soluzione ideale per integrare in uni-co sistema unità di trattamento aria e terminali interni. Le unità di trattamento dell’aria vengono dotate di un dispositivo di espansione LEV (s), montato direttamente in fabbrica sulla batteria ad espansione diretta. I sensori di temperatura posti in ingresso e in uscita dalla batteria per-mettono il controllo diretto dell’aria in transito.Il vero valore aggiunto del sistema è il colle-gamento con le unita VRF City Multi della batteria ad espansione diretta R 410A posta nella UTA, che consente di gestire temperatu-re dell’aria fino a -10 °C, modulando il carico termico richiesto attraverso l’inverter in modo di assicurare una temperatura costante dell’aria di ricambio. Il COP raggiunge in questi casi i valori decisamene elevati di 4.3 - 4.4. Il sistema fun-ziona anche in preraffreddamento in estate, e non limita il suo impiego alle nuove installazioni, ma vi è la possibilità di effettuare il retrofit sugli impianti esistenti.

Fig. 4 - Vista “aperta” dell’unita di trattamento dell’aria esterna FAU4. Queste macchine integrano un insieme di tecnologie – recupero entalpico, controllo VRF a pompa di calore, bus di trasmissione dati M-Net – in grado di soddisfare molteplici varianti impiantistiche (Mitsubishi Electric).

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Fig. 5 - Schema di funzionamento dell’unità di trattamento dell’aria FAU4. L’unità esterna VRF è collegata direttamente alla batteria di espansione diretta tramite dispositivo di espansione LEV (s). Il recuperatore di calore Lossnay innalza l’efficienza dell’unità a valori decisamente elevati (Mitsubishi Electric).

Fig. 6 - L’unità monoblocco d espansione diretta Zephir3 racchiude in un unico corpo tutti i componenti necessari al trattamento dell’aria di rinnovo. Le unità monoblocco ad espansione diretta, in quanto prive dell’unità esterna refrigerante, hanno l’indubbio vantaggio di poter essere posizionate direttamente in prossimità della zona da climatizzare e senza l’ingombro di un circuito esterno di tubazioni (Clivet).

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Unità per il trattamento dell’aria esterna globaleUn’unità di trattamento d’aria con batteria ad espansione diretta prevista per collegamento ad unità VRF è costituita dalla quarta generazione del modello FAU4 sviluppato da Mitsubishi Elec-tric, che si caratterizza per la specializzazione del progetto e della costruzione. Uno schema essenziale del collegamento è visibile nella fi -gura 4. La macchina è dotata di una batteria a

espansione diretta a più ranghi prevista per il funzionamento con il refrigerante R 410A con valvola di espansione elettronica. L’unità funziona ad una temperatura di 0 °C su tutta la sua estensione, alle massime condizioni estive e quindi al 100% del flusso del gas re -frigerante. Alla diminuzione della temperatura esterna diminuiscono i ranghi della batteria che lavorano a 0 °C, in numero proporzionale alla variazione del carico, ed attivi nel processo di deumidificazione dell’aria. In estate si immette sempre aria deumidifi -cata con temperatura di rugiada inferiore alla temperatura di funzionamento di un sistema radiante (assenza di condensa). Il costruttore ha studiato per il controllo delle condizioni am-biente una speciale regolazione, denominata Punto Di Comfort in base alla quale, al dimi-nuire della domanda di raffreddamento, viene immessa in ambiente aria con temperatura a bulbo secco maggiore, ma con umidità relativa inferiore rispetto a quanto avviene nelle unità di trattamento tradizionali. Evidenti i vantaggi di questa soluzione: si mantiene la deumidi-ficazione secondo i requisiti di comfort, ma si previene l’eccessivo raffreddamento dell’aria, che richiederebbe per essere neutralizzato un successivo post-riscaldamento con evidente spreco di energia. A questa regolazione (Punto Di Comfort), la nuova FAU4 introduce un nuo-vo tipo di controllo denominato a Temperatura di Mandata Fissa che agisce direttamente sul compressore dell’unità esterna e si modula sul-la base di 11 step di regolazione. Questi step di regolazione consentono di graduare la produ-zione di gas refrigerante attraverso la modula-zione continua dell’unità esterna mantenendo nel contempo la massima efficienza energeti -ca alla varie condizioni. La FAU4, in modalità regolazione di Temperatura di Mandata Fissa, fornirà quindi aria di mandata a temperatura fissa neutralizzando il carico dell’aria esterna.Le unità sono equipaggiate con ulteriori ele-menti per il risparmio dell’energia, il principale dei quali è il recuperatore di calore totale aria-aria Lossnay, a flussi incrociati, che permette un recupero di energia tra i due flussi d’aria in uscita e in ingresso superiore al 70% (figura 5). Le sinergie tra questi principi progettuali e tra i componenti utilizzati rendono queste macchine tra le più energeticamente efficienti sul mer -cato. Il costruttore ha previsto espressamente due modelli di unità esterne per il collegamento alle batterie ad espansione diretta, entrambi a

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pompa di calore, sia condensate ad aria che ad acqua. Il sistema FAU4 utilizza un’unità moto-condensante dedicata per il collegamento alla batteria a espansione diretta. Il compressore dell’unità motocondensante è equipaggiato con Inverter e risponde quindi in modo molto pre-ciso ed efficiente alle variazioni della domanda di raffreddamento o riscaldamento a pompa di calore. Esso può essere utilizzato ad inte-grazione di qualsiasi tipo di impianto, anche non VRF, e ciò costituisce di per se un fattore interessante. Il sistema si può proporre anche ad integrazione di impianti esistenti, ad esempio nei casi di retrofit per migliorare le condizioni di comfort e aumentare al tempo stesso l’effi -cienza energetica. L’installazione risulta sempli-ficata e limitata, oltre ai collegamenti elettrici, ai soli collegamenti delle due linee frigorifere tra l’unità condensante e la batteria stessa, sulla quale è presente una valvola di espansione elettronica sull’ingresso del refrigerante liquido. Questa architettura si sposa con la flessibilità

e componibilità di sistemi VRF del costruttore consentendo di dedicare alcune unità esterne alla FAU4 per il rinnovo dell’aria esterna mentre la maggioranza delle restanti è asservita alla cli-matizzazione dell’impianto secondo il rapporto tra il carico dell’aria esterna e quello totale.

L’alternativa: sistemi monoblocco con recupero termodinamico dell’energiaIl sistema ad espansione diretta, di costruzio-ne monoblocco, per il trattamento dell’aria di rinnovo modello Zephir3 sviluppato da Clivet racchiude in una singola unità autonoma tutte le funzionalità dell’intero impianto di rinnovo dell’aria (figura 6).Grazie alla tecnologia della pompa di calore reversibile, il recupero termodinamico attivo impiega l’aria viziata come sorgente termica e frigorifera, con altissima efficienza energetica grazie al favorevole ciclo termodinamico ed al compressore Inverter DC a regolazione conti-nua di capacità. Con temperature di evaporazione più elevate sullo scambiatore freddo e temperature di con-densazione più basse sullo scambiatore caldo, riduce infatti l’assorbimento dei compressori anche del 50%

L’unità consente di neutralizzare da sola l’inte-ro carico dell’aria esterna per la maggior parte dell’anno. Lo schema di principio nella figura 7 permette di meglio comprendere il funzio-namento della macchina che dispone di un circuito frigorifero aria-aria (che preleva energia dall’aria espulsa e la riversa in quella esterna di rinnovo) con compressore scroll e un sistema di sezioni filtranti.Il funzionamento completamente automatico prevede tre modalità di utilizzo. La regolazione mandata a punto fisso controlla le condizioni dell’aria primaria ed affida i carichi ambiente al sistema secondario. Consente di neutralizzare una parte del carico termico dell’aria di rinnovo nelle condizioni di progetto, generando una cer-ta capacità termica o frigorifera nelle rimanenti condizioni di funzionamento. La quota restan-te viene trattata dal sistema di climatizzazione dell’edificio.L’utilizzo alla massima potenzialità disponibile è ideale nel caso sia possibile sfruttare il più possibile la capacità termica e frigorifera del sistema. Infine, nell’utilizzo con alta portata aria, Zephir3 opera come recuperatore termodinami-co lasciando al sistema secondario il controllo delle condizioni ambiente ^© RIPRODUZIONE RISERVATA

Fig. 7 - Schema funzionale Zephir3..La macchina, ad alta efficienza, consente molteplici possibilità di regolazione (tre) e una serie completa di optional per customizzare l’utilizzo (Clivet).

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