Regolazione ottima dei circuiti frigoriferi con particolare attenzione all'efficienza energetica

Due to variations of both cooling and thermal loads in refrigeration and air-conditioning systems, single units have to operate in modulation most of the time. The on-off control is a strategy that has been used for a long time. In fact, if compared with the capacity control strategy, it seems to be simpler; however, it has several drawbacks. One of these drawbacks are cycling losses, defined as those inefficiencies which reduce the performances of a unit during the transient period. Although several authors have already studied and estimated cycling losses in small on-off units equipped with capillary tubes, no studies are available for units equipped with either thermostatic (TEV) or electronic expansion valves (EEV). Provided that most of the units nowadays are equipped either with TEV or EEV instead of capillary tubes, in this research the cycling losses phenomenon in units equipped with those valves was studied. Variable speed BLDC compressors, with the possibility to modulate thermal or cooling power, might be a solution for the cycling losses phenomenon. In this research both advantaged and drawbacks of variable speed capacity control strategy (compared to on-off strategy) are analyzed. The focus of the research is then extended from a single refrigeration unit to the whole refrigeration plant. In particular, a systems for the production of cooling energy in supermarkets is considered. Nowadays, supermarkets are the largest energy consumers in the commercial sector in many countries. They also contribute to both direct and indirect CO2 emissions in the atmosphere. Indirect CO2 emissions, related to refrigerant leakages through the junctions of the pipes, are the higher the greater is the amount of the refrigerant charge of the system. Thus, in order to reduce CO2 emissions in the atmosphere, together with the use of new refrigerants with low GWP (Global Warming Potential), it is getting more and more important to study new refrigeration systems which let the possibility to reduce both the amount of energy and the amount of refrigerant required. In this research a water-loop self-contained (WLSC) refrigeration plant is considered. The main characteristic of a WLSC system is that each cabinet is equipped with its own variable speed (BLDC) compressor and condenser. The thermal power of each cabinet is rejected to a cold water-loop, refrigerated by either a dry-cooler or a chiller. In particular, an energy/economic comparison between a WLSC and two multiplex solutions is proposed. At the end of this thesis the focus is on the control of the medium temperature chiller of a WLSC system, control which is a crucial element in order to minimize the total energy consumption of the system.

In tutti gli impianti di climatizzazione e di refrigerazione le singole unità, siano esse funzionali alla produzione di caldo o di freddo, operano per la maggior parte del tempo parzializzando. Storicamente la più diffusa modalità di regolazione dell’energia termica e frigorifera prodotta è rappresentata dal funzionamento intermittente delle unità. Grazie al suo semplice principio di funzionamento, la regolazione on-off risulta essere ancora oggi la modalità più diffusa, soprattutto per macchine con potenze termiche e frigorifere limitate. Tale regolazione è tuttavia caratterizzata da una serie di inefficienze energetiche che caratterizzano il transitorio di avviamento delle unità, inefficienze che prendono il nome di cycling losses. Nonostante siano numerosi gli studi rinvenuti in letteratura riguardanti l’analisi delle cycling losses in unità munite di capillari di laminazione, quasi inesistenti sono gli studi di tale fenomeno in unità equipaggiate con valvole di laminazione termostatiche (TEV) e con valvole di laminazione elettroniche (EEV). Partendo dal presupposto che, al giorno d’oggi, sempre più macchine termiche e frigorifere vengono equipaggiate alternativamente con TEV o EEV, in questo studio viene approfondito il fenomeno delle cycling losses in unità frigorifere equipaggiate con tali valvole. Una parziale soluzione al problema delle cycling losses può essere l’utilizzo di compressori a velocità variabile in grado di erogare, istante per istante, la potenza frigorifera richiesta dall’utenza. In questo lavoro si sono quindi analizzati vantaggi e svantaggi (rispetto alle regolazione on-off) del controllo della potenza frigorifera tramite variazione della frequenza di rotazione di compressori volumetrici con motore BLDC. Il focus della ricerca viene poi spostato dalla singola unità all’intero impianto di refrigerazione. In particolare vengono considerati gli impianti dedicati alla produzione dell’energia frigorifera nei supermercati. Per capire il perché si sia deciso di concentrare l’attenzione su tali impianti di refrigerazione basti pensare che, in molti paesi sviluppati (Italia inclusa), i supermercati sono attualmente i maggiori consumatori di energia elettrica nel settore commerciale. Anche il contributo dei supermercati all’emissione di CO2 risulta essere molto significativo, sia a causa degli elevati consumi di energia elettrica (emissione indiretta di CO2 equivalente), sia a causa delle elevate quantità di refrigerante immesse nell’atmosfera (emissione diretta di CO2 equivalente). In particolare quest’ultimo contributo, dovuto alle micro-perdite di refrigerante nei condotti dell’impianto di refrigerazione, a parità di GWP (Global Warming Potential) del refrigerante considerato, risulta essere tanto più critico tanto maggiore è la carica di refrigerante del sistema. Ecco quindi che, oltre allo studio e all’utilizzo di refrigeranti caratterizzati da un ridotto GWP, risulta fondamentale lo studio di nuove configurazioni di impianto, in grado da un lato di ridurre il consumo di energia elettrica, dall’altro di ridurre drasticamente la carica complessiva di refrigerante necessaria. In questa tesi viene analizzata una particolare configurazione di impianto denominata Water-loop Self-Contained (WLSC), caratterizzata dal fatto di avere ciascun banco equipaggiato con un proprio compressore a velocità variabile (motore BLDC) e un proprio condensatore. La potenza termica di ciascun banco viene ceduta ad un anello d’acqua, a sua volta raffreddato da un dry-cooler o da un chiller. Viene in particolare presentato un confronto energetico/economico tra un supermercato WLSC (con compressori a velocità variabile) e due soluzioni multiplex con compressori centralizzati. Nella parte finale del lavoro viene proposto un approfondimento sulla regolazione del chiller di media temperatura di un impianto WLSC, regolazione che risulta essere particolarmente critica in un’ottica di minimizzazione del consumo elettrico globale di tale sistema di refrigerazione.