Sistema chiller-fancoil: principio di funzionamento e allestimento del sistema di termoregolazione

Il sistema climatico multizona chiller-fancoil è progettato per creare condizioni confortevoli all'interno di un edificio di grandi dimensioni. Funziona costantemente: in estate fornisce fresco, e in inverno calore, riscaldando l'aria fino alla temperatura impostata. Vale la pena conoscere il suo funzionamento, è d'accordo?

Nell'articolo che Le proponiamo, sono descritti in dettaglio la costruzione e i componenti del sistema climatico. Vengono presentati e analizzati in dettaglio i metodi di collegamento delle apparecchiature. Le spiegheremo come è strutturato e funziona questo sistema di termoregolazione.

Componenti dello schema chiller-fancoil

Il ruolo del dispositivo di raffreddamento è affidato al chiller, un'unità esterna che produce e fornisce il freddo attraverso tubazioni con acqua o glicole etilenico in circolazione. È così che si differenzia dagli altri sistemi split, dove come fluido termovettore viene pompato il freon.

Per il movimento e la trasmissione del freon, il refrigerante, sono necessari costosi tubi di rame. Qui, invece, a questo compito provvedono egregiamente tubi dell'acqua con isolamento termico. Il suo funzionamento non è influenzato dalla temperatura dell'aria esterna, mentre i sistemi split con freon perdono efficienza già a -10⁰. L'unità di scambio termico interna è il fancoil.

Esso riceve il liquido a bassa temperatura, quindi trasmette il freddo all'aria ambiente, mentre il liquido riscaldato ritorna al chiller. I fancoil vengono installati in tutte le stanze. Ciascuno funziona secondo un programma individuale.

Gli elementi principali del sistema sono: stazione di pompaggio, chiller, fancoil. Il fancoil può essere installato a grande distanza dal chiller. Tutto dipende dalla potenza della pompa. Il numero di fancoil è proporzionale alla potenza del chiller.

Di solito tali sistemi vengono utilizzati in ipermercati, centri commerciali, strutture sotterranee, hotel. A volte vengono utilizzati come riscaldamento. In tal caso, attraverso il secondo circuito, viene fornita acqua calda ai fancoil oppure il sistema viene commutato su una caldaia di riscaldamento.

Esecuzione costruttiva del sistema

Secondo l'esecuzione costruttiva, i sistemi chiller-fancoil possono essere a 2 tubi o a 4 tubi. In base al tipo di installazione, si distinguono dispositivi da parete, da pavimento e da incasso.

Il sistema viene valutato in base ai seguenti parametri principali:

• potenza o capacità frigorifera del chiller;
• capacità dei fancoil;
• efficienza dello spostamento della massa d'aria;
• lunghezza delle condotte.

L'ultimo parametro dipende dalla potenza dell'unità di pompaggio e dalla qualità dell'isolamento termico dei tubi.

Collegamento del chiller e del fancoil

Il funzionamento armonioso del sistema avviene attraverso il collegamento di un chiller a uno o più fan coil tramite tubazioni con isolamento termico. In assenza di quest'ultimo, l'efficienza del sistema diminuisce in modo significativo.

Ogni fan coil ha un nodo di collegamento individuale, tramite il quale si regola la sua prestazione sia in caso di produzione di calore che di freddo. Il flusso del refrigerante in ogni singola unità viene regolato tramite apposite valvole di intercettazione e regolazione.

Per inviare l'acqua refrigerata allo scambiatore di calore, un tubo viene collegato al fan coil e l'altro, per lo scarico del liquido, al chiller. La configurazione del sistema consente la miscelazione del refrigerante con il fluido termovettore.

Se non è consentita la miscelazione del fluido termovettore con l'agente refrigerante, l'acqua viene riscaldata in uno scambiatore di calore separato e lo schema viene integrato con una pompa di circolazione. Per garantire una regolazione graduale del flusso del fluido di lavoro attraverso lo scambiatore di calore, durante l'installazione dello schema di collegamento viene utilizzata una valvola a tre vie.

Se nell'edificio è installato un sistema a due tubi, sia il raffreddamento che il riscaldamento avvengono tramite il refrigerante — il chiller. Per aumentare l'efficienza del riscaldamento mediante fan coil durante il periodo freddo, oltre al chiller, viene integrato nel sistema una caldaia.

A differenza del sistema a due tubi con un singolo scambiatore di calore, nel sistema a quattro tubi sono previsti due di questi elementi. In questo caso, il fan coil può funzionare sia per il riscaldamento che per il raffreddamento, utilizzando nel primo caso il liquido che circola nell'impianto di riscaldamento.

Uno degli scambiatori di calore è collegato al tubo del refrigerante, l'altro al tubo del fluido termovettore. Su ogni scambiatore di calore è presente una valvola individuale controllata da un apposito telecomando. Se viene utilizzato questo schema, il refrigerante non si mescola mai con il fluido termovettore.

Poiché la temperatura del fluido termovettore nel sistema durante la stagione di riscaldamento oscilla tra 70 e 95⁰ e per la maggior parte dei fan coil supera quella consentita, viene preventivamente ridotta. Pertanto, l'acqua calda che arriva dalla rete di teleriscaldamento ai fan coil passa attraverso un apposito punto termico.

Classi principali di chiller

La suddivisione convenzionale dei chiller in classi avviene in base al tipo di ciclo frigorifero. Secondo questo criterio, tutti i chiller possono essere convenzionalmente suddivisi in due classi: ad assorbimento e a compressione di vapore.

Dispositivo dell'unità ad assorbimento

Il chiller ad assorbimento, o ABHM, utilizza per il funzionamento una soluzione binaria contenente acqua e bromuro di litio – l'assorbitore. Il principio di funzionamento è l'assorbimento del calore da parte del refrigerante nella fase di trasformazione del vapore in stato liquido.

Tali gruppi utilizzano il calore generato durante il funzionamento di apparecchiature industriali. Inoltre, l'assorbitore assorbente, con un punto di ebollizione significativamente superiore al corrispondente parametro del refrigerante, dissolve bene quest'ultimo.

Lo schema di funzionamento di un chiller di questa classe è il seguente:

1. Il calore proveniente da una fonte esterna viene portato al generatore, dove riscalda la miscela di bromuro di litio e acqua. Durante l'ebollizione della miscela di lavoro, il refrigerante (acqua) evapora completamente.
2. Il vapore viene trasferito al condensatore e diventa liquido.
3. Il refrigerante in forma liquida entra nella valvola di espansione. Qui si raffredda e la pressione diminuisce.
4. Il liquido entra nell'evaporatore, dove avviene l'evaporazione dell'acqua e l'assorbimento dei suoi vapori da parte della soluzione di bromuro di litio – l'assorbitore. L'aria nell'ambiente si raffredda.
5. L'assorbente diluito viene nuovamente riscaldato nel generatore e il ciclo si avvia di nuovo.

Questo sistema di condizionamento non ha ancora ottenuto ampia diffusione, ma è pienamente in linea con le tendenze moderne in materia di risparmio energetico, pertanto ha buone prospettive.

Costruzione delle unità a compressione di vapore

La maggior parte degli impianti di refrigerazione funziona sulla base del raffreddamento a compressione. Il raffreddamento avviene grazie alla circolazione continua, all'ebollizione a bassi valori di temperatura e pressione e alla condensazione del refrigerante in un sistema a circuito chiuso.

Nella costruzione di un chiller di questa classe rientrano:

• compressore;
• evaporatore;
• condensatore;
• tubazioni;
• regolatore di flusso.

Il refrigerante circola in un sistema chiuso. Questo processo è gestito dal compressore, in cui la sostanza gassosa a bassa temperatura (-5⁰) e pressione 7 atm viene compressa fino a raggiungere una temperatura di 80⁰.

Il vapore saturo secco in stato compresso entra nel condensatore, dove viene raffreddato a 45⁰ a pressione costante e trasformato in liquido.

Il punto successivo lungo il percorso è la valvola di laminazione (valvola riduttrice di pressione). In questa fase, la pressione diminuisce dal valore corrispondente alla condensazione fino al limite in cui avviene l'evaporazione. Contemporaneamente, la temperatura scende fino a circa 0⁰. Il liquido evapora parzialmente e si forma vapore umido.

Lo schema mostra un ciclo chiuso in cui opera l'impianto a compressione di vapore. Nel compressore (1) avviene la compressione del vapore saturo umido fino a raggiungere la pressione p1. Nel compressore (2) il vapore cede calore e si trasforma in liquido. Nella valvola di laminazione (3) diminuiscono sia la pressione (p3 – p4) che la temperatura (T1-T2). Nello scambiatore di calore (4) la pressione (p2) e la temperatura (T2) rimangono invariate.

Entrando nello scambiatore di calore – evaporatore, il fluido di lavoro, una miscela di vapore e liquido, cede freddo al termovettore e assorbe calore dall'agente refrigerante, asciugandosi contemporaneamente. Il processo avviene a pressione e temperatura costanti. Le pompe inviano il liquido a bassa temperatura ai fan coil. Dopo aver percorso questo tragitto, l'agente refrigerante ritorna al compressore per ripetere nuovamente l'intero ciclo a compressione di vapore.

Specificità del chiller a compressione di vapore

In inverno, il chiller può funzionare in modalità di raffreddamento naturale – chiamato freecooling. In questo caso, il termovettore raffredda l'aria esterna. Teoricamente, è possibile utilizzare il raffreddamento gratuito quando la temperatura esterna è inferiore a 7⁰C. In pratica, la temperatura ottimale per questo è 0⁰.

Quando impostato in modalità 'pompa di calore', il chiller funziona per il riscaldamento. Il ciclo subisce modifiche, in particolare il condensatore e l'evaporatore si scambiano le loro funzioni. In questo caso, il termovettore deve essere riscaldato anziché raffreddato.

I più semplici sono i chiller monoblocco. In essi, tutti gli elementi sono compattamente riuniti in un unico insieme. Vengono venduti completi al 100%, fino al carico di refrigerante.

Questa modalità è più spesso utilizzata in grandi uffici, edifici pubblici, magazzini. Il chiller è un'unità di refrigerazione che produce tre volte più freddo di quanto consuma. La sua efficienza come riscaldatore è ancora maggiore: consuma quattro volte meno elettricità rispetto al calore che produce.

In cosa differisce il refrigerante dal fluido termovettore?

L'agente refrigerante è la sostanza di lavoro che, durante il ciclo frigorifero, può trovarsi in diversi stati di aggregazione a diverse pressioni. Il fluido termovettore non cambia stato di fase. La sua funzione è trasportare freddo o calore a una certa distanza.

Il trasporto del refrigerante è gestito dal compressore, mentre quello del fluido termovettore dalla pompa. La temperatura dell'agente refrigerante può scendere al di sotto del punto di ebollizione e anche superarlo. Il fluido termovettore, a differenza del refrigerante, opera sempre in condizioni di temperatura che non superano il punto di ebollizione alla pressione corrente.

Ruolo del fancoil nel sistema di climatizzazione

Il fan coil è un elemento importante di un impianto climatico centralizzato. Il secondo nome è ventilconvettore. Se si traduce letteralmente il termine fan-coil dall'inglese, suona come ventola-scambiatore di calore, che descrive più precisamente il suo principio di funzionamento.

Nella struttura del fan coil è incluso un modulo di rete che garantisce la connessione al dispositivo di controllo centrale. Un robusto involucro nasconde gli elementi costruttivi e li protegge da danni. All'esterno è installato un pannello che distribuisce uniformemente i flussi d'aria in diverse direzioni.

Lo scopo del dispositivo è ricevere il fluido a bassa temperatura. Le sue funzioni includono sia la ricircolazione che il raffreddamento dell'aria nell'ambiente in cui è installato, senza apporto di aria dall'esterno. Gli elementi principali del fan coil sono alloggiati nel suo involucro.

Tra questi figurano:

• ventilatore centrifugo o diametrale;
• scambiatore di calore a serpentina, costituito da un tubo di rame e alette di alluminio montate su di esso;
• filtro antipolvere;
• unità di controllo.

Oltre ai componenti principali, nella struttura del fan coil sono inclusi una vaschetta per la raccolta della condensa, una pompa per l'evacuazione di quest'ultima, un motore elettrico tramite il quale vengono ruotate le serrande dell'aria.

Nella foto, un fan coil canalizzabile del marchio Trane. La potenza degli scambiatori a due ranghi è di 1,5 – 4,9 kW. L'unità è dotata di un ventilatore silenzioso e di un involucro compatto. Si posiziona perfettamente dietro pannelli finti o dietro una struttura a soffitto sospeso.

In base al metodo di installazione, esistono fan coil da soffitto, canalizzabili, montati in canali attraverso i quali avviene l'afflusso d'aria, senza involucro (tutti gli elementi montati su telaio), da parete o a console.

Gli apparecchi da soffitto sono i più diffusi e hanno due varianti: a cassetta e canalizzabili. I primi vengono installati in ambienti spaziosi con controsoffitto. L'involucro è posizionato dietro la struttura sospesa. Il pannello inferiore rimane visibile. Possono distribuire i flussi d'aria su due o tutti e quattro i lati.

Se il sistema è destinato esclusivamente al raffreddamento, il posto migliore per esso è il soffitto. Se la struttura è destinata al riscaldamento, il dispositivo viene posizionato sulla parete nella sua parte inferiore.

La necessità di raffreddamento non esiste sempre, quindi, come si vede nello schema che illustra il principio di funzionamento del sistema chiller-fan coil, nel modulo idraulico viene integrato un serbatoio che funge da accumulatore per il refrigerante. La dilatazione termica dell'acqua viene compensata da un vaso di espansione collegato alla tubazione di mandata.

I fan coil sono controllati sia in modalità manuale che automatica. Se il fan coil funziona per il riscaldamento, in modalità manuale viene interrotta l'alimentazione di acqua fredda. Quando funziona per il raffreddamento, l'acqua calda viene chiusa e viene aperto il passaggio per il fluido di lavoro refrigerante.

Pannello di controllo per fan coil sia a 2 tubi che a 4 tubi. Il modulo viene collegato direttamente al dispositivo e posizionato nelle sue vicinanze. Da esso vengono collegati il pannello di controllo e i cavi per la sua alimentazione.

Per il funzionamento automatico, sul pannello viene impostata la temperatura desiderata per il locale specifico. Il mantenimento del parametro impostato viene effettuato tramite termostati, che regolano la circolazione dei fluidi termovettori — freddo e caldo.

Il vantaggio del fan coil si manifesta non solo nell'impiego di un fluido termovettore sicuro ed economico, ma anche nella rapida risoluzione dei problemi come le perdite d'acqua. Ciò riduce i costi di manutenzione. L'utilizzo di questi dispositivi è il modo più efficiente dal punto di vista energetico per creare un microclima favorevole nell'edificio.

Poiché ogni grande edificio ha zone con diverse esigenze di temperatura, ciascuna di esse deve essere servita da un singolo fan coil o da un gruppo di essi con impostazioni identiche.

Il numero di unità viene determinato in fase di progettazione del sistema mediante calcolo. Il costo dei singoli componenti del sistema chiller-fan coil è piuttosto elevato, pertanto sia il calcolo che la progettazione del sistema devono essere eseguiti nel modo più preciso possibile.

Conclusioni e video utili sull'argomento

Video #1. Tutto sulla struttura, il funzionamento e il principio di azione del sistema di termoregolazione:

Video #2. Su come installare e mettere in funzione il chiller:

L'installazione del sistema chiller-fan coil è consigliabile in edifici medi e grandi con una superficie superiore a 300 m². Per una casa privata, anche molto grande, l'installazione di un tale sistema di termoregolazione è un piacere costoso. D'altro canto, tali investimenti finanziari garantiranno comfort e benessere, e non è poco.

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