Per gli impianti industriali che cercano un risparmio energetico sul chiller, il free cooling (raffreddamento naturale) rappresenta una delle vie più concrete per abbattere in modo duraturo i costi di esercizio. Nel costo totale del ciclo di vita di un chiller, l'energia elettrica assorbita dai compressori supera spesso, e di molto, il prezzo di acquisto iniziale. Il raffreddamento naturale colpisce esattamente questa voce: quando l'aria esterna è sufficientemente fresca, disattiva i compressori o ne riduce il carico per smaltire il calore. In questo articolo analizziamo, con occhio ingegneristico, come funziona il free cooling, la logica del chiller ibrido e le condizioni in cui il risparmio si ripaga più rapidamente.
Come funziona il raffreddamento naturale
In un ciclo frigorifero classico il carico termico viene smaltito attraverso il compressore che comprime il refrigerante, ed è proprio qui che si consuma la maggior parte dell'energia elettrica. Con il free cooling la logica si inverte: quando la temperatura dell'aria esterna scende sufficientemente al di sotto di quella dell'acqua refrigerata di ritorno, entra in funzione una batteria di free cooling o un dry cooler integrato nel sistema. Questa batteria cede direttamente all'aria esterna l'acqua tiepida di ritorno dal processo, smaltendo una parte o la totalità del calore senza che il compressore lavori.
Il parametro determinante è la differenza di temperatura tra l'aria esterna e l'acqua refrigerata. Quando l'aria esterna scende di alcuni gradi al di sotto della temperatura obiettivo dell'acqua, inizia il free cooling parziale; man mano che il ΔT si allarga, il calore smaltito dalla batteria aumenta e i compressori vengono progressivamente scaricati. Con un ulteriore raffreddamento dell'aria il sistema passa in modalità free cooling totale: i compressori si arrestano completamente e restano in funzione solo pompe e ventilatori. In questo modo la potenza elettrica assorbita scende a una frazione ben più piccola rispetto al raffreddamento meccanico.
Chiller ibrido: chiller e free cooling in un unico corpo
Il chiller ibrido è la soluzione che unisce il ciclo di raffreddamento meccanico e la batteria di free cooling in un'unica unità. Invece di installare separatamente un dry cooler e un chiller, le due modalità convivono in un solo corpo e il sistema di controllo commuta automaticamente in base al carico e alle condizioni dell'aria esterna. Per gran parte dell'anno il sistema lavora in una di tre modalità: raffreddamento meccanico totale nei giorni caldi, modalità parziale con compressore e batteria attivi insieme nelle mezze stagioni e free cooling totale senza compressore nei giorni freddi.
Questa struttura a stadi consente all'impianto di mantenere la temperatura dell'acqua refrigerata al valore obiettivo riducendo notevolmente, nell'arco dell'anno, le ore di funzionamento dei compressori. Un minor numero di ore di compressore non incide solo sulla bolletta energetica, ma anche sugli intervalli di manutenzione e sull'usura meccanica: tutto questo si riflette sul costo di esercizio complessivo del chiller.
Dove il risparmio si ripaga più in fretta
Il ritorno del free cooling non è uguale in ogni impianto: il guadagno è direttamente legato al profilo di funzionamento e al clima. Le condizioni tipiche in cui l'investimento si ripaga più rapidamente sono le seguenti:
- Carichi di raffreddamento continui o su più turni per tutto l'anno: più aumentano le ore di funzionamento, più si allarga la finestra di free cooling.
- Temperature dell'acqua refrigerata moderate o elevate: se ad esempio il processo può lavorare con acqua a 12-18 °C, il free cooling entra in funzione per una porzione dell'anno molto più ampia.
- Climi freschi o con mezze stagioni prolungate: nelle regioni in cui le basse temperature dell'aria esterna sono frequenti, le ore di free cooling totale si moltiplicano.
- Circuiti con additivo glicolico: grazie alla protezione antigelo il sistema può sfruttare il free cooling in sicurezza anche a basse temperature esterne.
- Impianti con costo unitario dell'energia elevato: ogni ora in cui si evita il compressore si traduce direttamente in risparmio.
Al contrario, in un processo che lavora solo nei mesi estivi e con temperature dell'acqua molto basse, la finestra di free cooling è stretta e il tempo di ritorno si allunga. Per questo la decisione va presa sulla base della reale curva di carico dell'impianto e della distribuzione delle temperature del clima in cui si trova.
Aspettative realistiche di risparmio e ritorno
Il guadagno annuale del free cooling è proporzionale al numero di ore in cui i compressori restano disattivati. Con temperature dell'acqua refrigerata adeguate e in un clima fresco, in condizioni favorevoli si può ragionevolmente parlare di risparmi fino al 40% sull'energia annuale di raffreddamento; tuttavia questa percentuale varia sensibilmente a seconda del clima, del profilo di carico e della temperatura dell'acqua scelta. Anziché affidarsi a un unico dato eclatante, l'approccio corretto è eseguire un'analisi della distribuzione oraria delle temperature specifica dell'impianto (bin-hour).
Anche il tempo di ritorno dipende dalle stesse variabili. Negli impianti con molte ore di funzionamento e alto costo unitario dell'energia, l'investimento aggiuntivo della soluzione ibrida si ripaga in tempi relativamente brevi, mentre negli impianti a basso utilizzo il periodo si allunga. Per questo la decisione va costruita su un calcolo misurabile e non su una promessa standard.
Chiller Ibridi e Dry Cooler Planer
Le famiglie di prodotti Chiller Ibridi e Dry Cooler di Planer sono progettate per integrare il free cooling nel sistema di raffreddamento di processo. È possibile sia aggiungere a un sistema chiller esistente uno stadio di free cooling basato su dry cooler, sia optare fin dall'inizio per un'unità ibrida; la scelta corretta si determina in base alla temperatura dell'acqua refrigerata dell'impianto, alla curva di carico e al clima in cui opera.
Se desiderate conoscere il risparmio realistico e il tempo di ritorno che il free cooling può garantire in base al profilo di carico e ai dati climatici del vostro impianto, il team di ingegneria Planer è a disposizione per valutare insieme la configurazione ibrida più adatta.