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APPROFONDIMENTI

VRF
Pompe di calore ad espansione diretta e flusso di refrigerante variabile

Con questa guida imparerai di più sul flusso di refrigerante variabile (VRF), noto anche come volume di refrigerante variabile (VRV), una tecnologia HVAC (heating, ventilating, air-conditioning) che, come i condizionatori splittati, utilizza il refrigerante come mezzo di raffreddamento e riscaldamento. Questo refrigerante è condizionato da una singola unità di condensazione esterna e viene fatto circolare all'interno dell'edificio verso più unità interne.

Introduzione ai sistemi VRF

I sistemi VRF generalmente includono una o più unità di condenzazione esterne (in gergo compressori o motori) e più unità di evaporazione interne. Questo tipo di impianto si distingue dai comuni piccoli sistemi multisplit che normalmente servono un massimo di cinque unità interne senza flusso di refrigerante variabile.

Le unità esterne VRF sono tipicamente dotate di un compressore inverter CC per supportare la velocità del motore variabile. Ciò consente di variare il flusso del refrigerante in base alla necessità anziché semplicemente accendere/spegnere il compressore in modo intermittente. In questa configurazione le unità VRF funzionano solo alla velocità necessaria, consentendo un notevole risparmio energetico in condizioni di carico parziale.

La tecnologia di recupero del calore, peculiarità dei sistemi VRF, consente alle singole unità interne di funzionare in modalità di riscaldamento o raffreddamento in modo indipendente secondo necessità e comporta anche un notevole isparmio energetico.

Produttori primari:

  • • GIAPPONESI: Daikin, Panasonic, Mitsubishi Electric, Mitsubishi Heavy Industries, Fujitsu General, Johnson Controls-Hitachi, Toshiba, Yanmar (GHP)
  • • COREANI: LG, Samsung
  • • CINESI: Gree, Haier, Hisense, Midea
  • • AMERICANI: Carrier, York International, Trane, Lennox
  • • EUROPEI: Bosch, Clivet

Quanta energia puoi risparmiare con VRF?

I sistemi VRF (Variable Refrigerant Flow systems) sono ora in grado di garantire soluzioni efficienti e competitive per la maggior parte delle applicazioni HVAC.

Queste pompe di calore utilizzno un fluido chiamato refrigerante come mezzo di raffreddamento e riscaldamento al posto dell'acqua. Questo refrigerante cambia di fase in una singola unità di condensazione esterna e viene fatto circolare attraverso il sistema all'interno dell'edificio tramite un compressore verso più unità interne. All'interno di queste cambierà nuovamente di fase.

Questi sistemi sono di facile installazione e consentono di preservare la struttura dell'edificio esistente. Il design modulare li rende un'ottima opzione per i progetti che verranno realizzati in più fasi, ad esempio un piano di un hotel alla volta senza interrompere l'intera attività commerciale.

Sistema ad espansione diretta

Gli elementi base di un sistema ad espansione idretta

È compito dell'unità motocondensante esterna disperdere o integrare l'energia necessaria al funzionamento del ciclo, scambiando calore con l'ambiente esterno. L'intero sistema utilizza uno o più compressori inverter per comprimere e muovere il refrigerante e regolarne il flusso in base al carico corrente.

La versione più semplice di un sistema VRF utilizza un'unità condensante esterna che può essere utilizzata per il riscaldamento o il raffreddamento. Sono presenti due linee frigorifere, una di mandata e una di ritorno, condivise da vari ventilconvettori interni (unità interne).

Nei sistemi DX viene eliminato il fluido intermedio: l'acqua

È possibile individuare due ragioni principali che spiegano perché la soluzione ad espansione diretta è teoricamente più efficiente di quella idronica:

  • • la soluzione idronica utilizza uno scambiatore di calore refrigerante-acqua la cui efficienza è molto inferiore al 100%. Con la soluzione DX viene esclusa la generazione di entropia e la distruzione di exergia allo scambiatore di calore acqua-refrigerante;
  • • in un impianto idronico il refrigerante non cede calore direttamente all'ambiente ma lo cede all'acqua che, a sua volta, deve cederlo all'ambiente. Ciò significa che la pompa di calore deve funzionare anche con temperature (pressioni) più elevate in quanto non cede direttamente calore all'aria dell'ambiente, ma deve cedere calore all'acqua che a sua volta lo cede all'ambiente.

Ciclo ad espansione diretta e impianto idronico a confronto

A seconda della modalità operativa, l'unità esterna e le unità interne possono comportarsi da condensatore o da evaporatore. In inverno (modalità riscaldamento) l'unità esterna si comporta da evaporatore e le unità interne da condensatore. In estate (modalità raffreddamento) l'unità esterna si comporta da condensatore e le unità interne da evaporatore.

Modalità di riscaldamento e raffrescamento in un sistema VRF VRV

Con il refrigerante che fluisce direttamente nelle unità interne senza un fluido intermedio, è possibile ottenere coefficienti di prestazione nominali e stagionali più elevati (COP, EER, SCOP, SEER) rispetto alle pompe di calore aria-acqua. Solitamente le prestazioni sono certificate da test di terze parti basati su procedure ben definite che garantiscono una sana e solida concorrenza su un mercato aperto a tutti i produttori. AHRI ed Eurovent sono due società indipendenti famose per le loro rigorose misure di prova e standard elevati.

I sistemi VRF sono in grado di funzionare in modalità riscaldamento, raffrescamento e con possibilità di essere configurati per il recupero di calore. I sistemi di recupero del calore hanno la capacità di riscaldare simultaneamente alcune zone raffreddandone altre. In questo caso il calore estratto dalle zone che necessitano di raffrescamento viene utilizzato nelle zone che necessitano di riscaldamento. Ciò è reso possibile perché l'unità interna in modalità di riscaldamento funziona da condensatore, fornendo liquido sottoraffreddato nella linea che viene utilizzata per il raffreddamento. Sebbene il sistema di recupero del calore abbia un costo iniziale maggiore, questo consente un migliore controllo termico a zone di un edificio e una maggiore efficienza complessiva.

Modalità di riscaldamento e raffrescamento dei sistemi VRF VRV

Per ulteriori informazioni sul risparmio energetico leggere i documenti completi:

Che impatto ha il VRF sul consumo di energia?

I sistemi VRF hanno un impatto significativo sul consumo di energia.

Principali vantaggi VRF:

  • • funzionamento a carico parziale
  • • capacità di zonizzazione
  • • potenziale di recupero del calore
  • • compressori dotati di motore a inverter

Grazie alla sua tecnologia avanzata, al controllo ultra preciso e all'assenza di fluido intermedio è possibile ottenere coefficienti di prestazione nominali e stagionali più elevati (COP, EER, SCOP, SEER) rispetto alle pompe di calore aria-acqua.

VRF energy saving logic

I sistemi VRF sono in grado di funzionare in modalità riscaldamento, in raffrescamento e con possibilità di essere configurati per il recupero di calore. I sistemi di recupero del calore hanno la capacità di riscaldare simultaneamente alcune zone raffreddandone altre. In questo caso il calore estratto dalle zone che necessitano di raffrescamento viene utilizzato nelle zone che necessitano di riscaldamento. Ciò è reso possibile perché l'unità interna di raffreddamento funziona da evaporatore, fornendo gas agli altri ambienti dove viene utilizzato per il riscaldamento facendolo condensare. L'unità esterna integra il calore mancante o disperde quello in eccesso a seconda che il sistema sia sbilanciato in riscaldamento o raffrescamento. Teoricamente, quando i locali riscaldati e quelli raffreddati si equivalgono per carico termico, si ha il massimo risparmio energetico e l'unità esterna comprime il refrigerante senza scambiare calore con l'esterno.

Schema VRF 2 tubi pompa di calore 3 tubi recupero di calore distributori

Ciò avviene solitamente attraverso un design a tre tubi (gas caldo per il riscaldamento, liquido per il raffreddamento e un tubo di gas a più bassa pressione) e uno o più distributori dotati di valvole selettrici che commutano il tubo di alimentazione dell'unità interna a seconda della modalità di funzionamento richiesta.

Solo poche marche sono in grado di fare ciò con un sistema a due tubi. L'unità esterna in questo caso eroga una miscela (bifase) di gas caldo per il riscaldamento e liquido per il raffreddamento, tutto attraverso lo stesso tubo. Il recupero di calore tra le unità interne viene effettuato all'interno dei box di distribuzione che ospitano un separatore liquido / gas.

Mentre un sistema a due tubi consente una riduzione delle perdite di trasmissione dei tubi e dei costi di installazione, un sistema a tre tubi generalmente fornisce una maggiore efficienza di recupero del calore rispetto a un sistema a due tubi.

Schema VRF 2 tubi 3 tubi recupero di calore distributori

Sebbene il sistema di recupero del calore abbia un costo iniziale maggiore, consente un migliore controllo termico a zone di un edificio e una maggiore efficienza complessiva.

Se il coefficiente di prestazione (COP) in modalità raffreddamento di un sistema è 4 e il coefficiente di prestazione in modalità riscaldamento (EER) è 4.5, le prestazioni di recupero del calore possono raggiungere una efficienza globale usperiore a 8.5 .

Efficienza sistema a recupero di calore

I sistemi a flusso di refrigerante variabile sono una tecnologia HVAC all'avanguardia, estremamente vantaggiosa in tutte le aree dell'edilizia commerciale e possono contribuire ad ottenere un più alto punteggio nelle certificazioni LEED®.

Sviluppato dall'US Green Building Council (USGBC), LEED fornisce ai proprietari e agli operatori di edifici un quadro conciso per identificare e implementare soluzioni pratiche e misurabili per la progettazione, la costruzione, le operazioni e la manutenzione di edifici green.

Tipiche aplicazioni dei sistemi VRF

Grazie alle alte prestazioni del VRF e alla tecnologia all'avanguardia è possibile ottenere un gran numero di punti in LEED Energy and Atmosphere Credit.

Prerequisiti Energy and Atmosphere Credit (EA):

  • • messa in servizio e verifica fondamentali: i produttori di VRF possono offrire assistenza tecnica prima e durante l'installazione del sistema e assistere con l'avvio, la messa in servizio di apparecchiature e sistemi di controllo
  • • prestazioni energetiche minime: i sistemi VRF sono incorporati in ASHRAE Std. 90.1-2010 e AHRI 1230 hanno stabilito un metodo di prova per la tecnologia VRF
  • • gestione fondamentale del refrigerante: i sistemi VRF non utilizzano refrigeranti a base di clorofluorocarburi (CFC) nei sistemi HVAC e R (heating, ventilating, air-conditioning and refrigeration).

Per maggiori informazioni sull'efficienza energetica leggi i documenti completi:

Refrigerante e sicurezza

I sistemi VRF distribuiscono il refrigerante in tutto l'edificio offrendo un'installazione flessibile.

I sistemi VRF utilizzano principalmente il refrigerante R-410A. La classificazione di sicurezza dell'R-410a nello standard ASHRAE 34 è del gruppo A1: refrigerante non tossico e non infiammabile con potenziale di riduzione dell'ozono pari a zero. Sicuro, pulito e rispettoso dell'ambiente. Soddisfa i rigorosi mandati del Protocollo di Montreal e dell' U.S. Environmental Protection Agency.

Anche se l'R-410a appartiene al gruppo A1, le normative americane ed europee affermano che i sistemi VRF devono essere adeguatamente selezionati e progettati rispettando lo standard di sicurezza ASHRAE 15 e lo standard 34. Inoltre, dato che l'R410a è un gas più pesante dell'ossigeno e può quindi stratificare e sostituirsi ad esso all'interno degli ambienti, i sistemi VRV devono essere adeguatamente selezionati e progettati in conformità agli standard di sicurezza ASHRAE 15 e 34 (territorio degli Stati Uniti) e UNI EN 378 (territorio europeo).

Nei più nuovi nuovi sistemi VRF il gas R410a è stato sostituito con l'R32. Esso non è altro che uno dei componenti della miscela refrigerante R410a. Questo ha un Global Warming Potential (GWP) inferiore (675 contro 2088). La differenza più significativa con il gas R410a però è relativa alla classe di infiammabilità: A2L (bassa tossicità, e bassa infiammabilità). Ciò significa che per causare un innesco è necessaria una fonte di calore ad elevata energia: ad esempio, le scintille (prodotte da interruttori o relé) e l’elettricità statica non possiedono sufficiente energia per infiammarlo. L'utilizzo di questo gas è perciò più restrittivo e viene ad oggi utilizzato solo nei monosplit, nei multisplit e nei VRF di piccola taglia.

La normativa UNI EN 378 - 2017 specifica i requisiti relativi alla sicurezza di persone e cose per quanto riguarda gli impianti frigoriferi fissi e mobili, comprese le pompe di calore. Il regolamento stabilisce i limiti di concentrazione del refrigerante per gli ambienti di categoria A al limite massimo pratico di 0,44 kg/m3 di contenuto di refrigerante R410a nell'ambiente in caso di perdita. Ambienti di categoria A: stanze, parti di edifici, edifici in cui: le persone possono dormire, le persone sono limitate nei loro movimenti, è presente un numero incontrollato di persone o ambienti ai quali chiunque può accedere senza conoscere personalmente le necessarie precauzioni di sicurezza (es. ospedali, tribunali o carceri, teatri, supermercati, scuole, aule, hotel, ristoranti...

I produttori supportano i professionisti fornendo strumenti gratuiti per progettare sistemi VRF e stimare la quantità di refrigerante contenuta nel sistema complessivo. Questi software calcolano la quantità totale di refrigerante contenuta nel sistema progettato e la confrontano con il volume degli spazi occupati.

Esempio di calcolo della norma EN 378

Per rispettare i limiti imposti si possono adottare diverse soluzioni: suddividere l'impianto in più impianti più piccoli, accorciare le tubazioni, aumentare il volume dei locali (ad esempio mettere in comunicazione due locali con griglie di transito o sollevare le porte).

Esempio di calcolo della norma EN 378. Divisione dell'impianto.

Se non è possibile rientrare nei limiti, ci sono comunque delle alternative pratiche: alcuni produttori di VRF offrono un sensore che rileva le perdite di refrigerante e, quando la concentrazione supera un certo valore, non solo viene arrestato il funzionamento dell'unità interna, ma si attiva un allarme acustico e visivo che avverte gli occupanti di lasciare la stanza e ventilare l'ambiente.

Sistema di rilevamento di perdite di gas nell'impianto frigorifero VRF

UNI EN 378 (Territorio Europeo):

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