I sistemi di climatizzazione VRF (Variable Refrigerant Flow) rappresentano una soluzione innovativa ed efficiente per il controllo della temperatura in edifici di grandi dimensioni. Un caso particolare di macchine che merita attenzione sono le pompe di calore ad espansione diretta (aria-aria e acqua-aria) a portata di refrigerante variabile, dette VRF e VRV.
Il sistema nasce a metà degli anni settanta e si sviluppa concettualmente in Giappone e Cina a fronte della crisi energetica del 1973. Le case più importanti di quei paesi negli anni ottanta cominciano a farsi notare in occidente. Il sistema prende piede in Europa commercialmente negli anni novanta. In Italia i termotecnici ne prendono consapevolezza e cominciano a progettare e installare sistemi VRF e VRV.
Oggi il prodotto, per far fronte a tutte le necessità, oltre che essere commercializzato da numerose case provenienti da Cina, Giappone, India e altri paesi Orientali, è presente nel catalogo di molti produttori europei e in particolare italiani. Da sottolineare, comunque, come molte case italiane siano state assorbite da produttori orientali che conseguentemente hanno iniettato, all’interno di queste aziende, il loro know how ed esperienza nel campo dell’espansione diretta.
VRF significa Variant Regrigerant Flow (fluido refrigerante variabile, ) ed è una tecnologia a pompa di calore aria-aria reversibile per la climatizzazione invernale ed estiva dall’elevata efficienza energetica. L’acronimo VRF e VRV come detto - Variant Refrigerant Flow oppure Variant Refrigerant Volume (Daikin) - deriva in sostanza dalla logica di regolazione della potenza frigorifera che avviene modulando di continuo la portata volumetrica del refrigerante.
Componenti e Funzionamento del Sistema VRF
Il sistema è formato da una unità esterna dotata di compressore e di batteria di scambio in grado di funzionare indifferentemente da condensatore e da evaporatore. Ad essa sono collegate, mediante due tubi nella versione in pompa di calore e a tre tubi nella versione a recupero di calore (ci sono costruttori che usano solo i due tubi per il recupero), una serie di unità interne dotate di ventilatore ad inverter, batteria di scambio termico ad alta efficienza, valvola termostatica di laminazione elettronica e valvola di deviazione a cassetto oppure un cassetto a più distribuzioni nella versione a recupero.
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Sostanzialmente si tratta di un super-multisplit in cui le unità interne possono lavorare in modo differenziato tra loro sia in termini di limiti di temperatura e anche in modo contemporaneo con alcune unità interne in freddo, per raffrescare il locale, ed altre per riscaldarlo. Nella versione a recupero di calore si tratta quindi di un impianto alternativo al tradizionale quattro tubi a fluido intermedio con gruppi frigoriferi a recupero di calore del tipo polivalenti. Esistono tuttavia anche delle versioni di VRF e VRV in grado di funzionare solo producendo freddo d’estate e caldo d’inverno, come un normale impianto a pompa di calore a fluido intermedio.
Nel caso di installazioni che richiedano una potenza superiore a quella fornibile da una singola unità esterna, diventa agevole suddividere la potenzialità richiesta su più unità esterne combinandone le soluzioni, ciascuna delle quali dedicata a una specifica zona dell’edificio. Il sistema è controllato da un unico circuito di trasmissione dati e si comporta per chi lo gestisce come un sistema unico di refrigerazione.
Le case costruttrici oggi forniscono diversi modelli che vanno dalla versione con unità esterna monoventola (monofase/trifase) fino a 10 HP per arrivare alla versione bi-ventola fino a un massimo 12 HP per arrivare alla versione standard con ventilatore elicoidale in testa per un massimo che si aggira attorno ai 54 HP (150 kW).
Modalità di Funzionamento
Quando tutte le unità interne lavorano in raffreddamento, il sistema si comporta come un normale multisplit: l’unità esterna funge da condensatore, quelle interne da evaporatore e vengono utilizzate solamente due delle tre tubazioni. Questo funzionamento è possibile anche nella versione senza recupero a due soli tubi. Se tutte le unità interne lavorano in pompa di calore, il sistema va a funzionare come un normale multisplit in pompa di calore, impiegando due soli tubi con la batteria esterna in funzione di evaporatore e le batterie interne in funzione di condensatore.
Oggi l’evoluzione tecnologica porta a lavorare anche con la soluzione a moduli, ossia a collettore, dove per ogni collettore di gas/liquido è possibile installare un massimo di 8 unità interne. Questa tipologia mantiene la facilità di installazione dell’impianto idronico, evitando la distribuzione a due tubi con molti punti di saldatura.
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Recupero di Calore
Quando l’edificio richiede carichi contemporanei opposti, ossia la necessità di fare freddo e caldo contemporaneamente, si passa a unità ad espansione diretta a recupero di calore. La tipologia “tradizionale” prevede la posa di tre tubazioni che poi convergono in un distributore a cassetto, che per semplicità chiameremo Box selettore di flusso, da dove si dipartono le due linee di gas e liquido che alimentano le unità interne.
Quando tutte le unità interne lavorano in raffreddamento, il sistema si comporta come un normale multisplit. Qualora parte delle unità interne debbano lavorare in riscaldamento, ma il carico predominante sia quello in raffreddamento, si attua il recupero di energia termica: il vapore surriscaldato in uscita dal condensatore viene inviato parte all’unità esterna, che funge ancora da condensatore, e parte alle unità interne in riscaldamento, attraverso il terzo tubo dell’impianto.
Da segnalare la situazione assolutamente transitoria (non riportata nella figura) in cui il carico tra richiesta di riscaldamento e di condizionamento sia perfettamente bilanciato: l’intera quantità del refrigerante condensa nelle unità funzionanti in riscaldamento ed evapora nelle altre, by-passando la batteria dell’unità esterna.
Quando i carichi sono contrapposti, ma la predominanza è in riscaldamento, vi è il recupero di energia frigorifera. Il vapore surriscaldato in uscita dal compressore viene inviato esclusivamente alle batterie delle unità interne, con funzione di condensatore. Il liquido passa le termostatiche elettroniche, abbassandosi di pressione, e viene inviato parte alla batteria dell’unità esterna, che funge da moto evaporatore, e parte alle batterie delle unità in raffreddamento, per poi ricongiungersi, attraverso la terza tubazione, sulla linea di aspirazione del compressore.
Anche in questo, vi è la situazione, assolutamente transitoria, in cui il carico tra richiesta di riscaldamento e di condizionamento è perfettamente bilanciato: l’intera quantità del refrigerante condensa nelle unità funzionanti in riscaldamento ed evapora nelle altre, by-passando la batteria dell’unità esterna.
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Alcune case propongono il recupero di calore usando solo due tubazioni lasciando la ripartizione del carico al Box deviatore di flusso. Nella versione a recupero di calore, le unità terminali sono indipendenti anche dal punto di vista della commutazione caldo/freddo oltre che di temperatura. In questo caso esse sono in grado di scegliere autonomamente se passare, singolarmente attraverso la regolazione, dalla fase di riscaldamento a quella di raffreddamento (e viceversa) al fine di mantenere le condizioni ambiente richieste.
Regolazione e Controllo
L’elemento caratteristico del sistema, qualunque sia la versione adottata, risiede nella capacità di variare in modo lineare e direttamente proporzionale al carico (sia in raffreddamento che in riscaldamento) la portata e la temperatura del gas refrigerante in circolazione.
Particolarmente sofisticato, quindi, è il sistema di regolazione; la temperatura ambiente è mantenuta costante dal controllo simultaneo delle valvole termostatiche elettroniche di cui sono dotate le singole unità interne e della variazione di portata volumetrica del refrigerante. A seconda del carico richiesto le valvole aprono o chiudono, così da adattare la pressione, quindi la temperatura, di evaporazione (in raffreddamento) e di condensazione (in riscaldamento) ai reali fabbisogni dell’ambiente.
La regolazione della portata volumetrica del refrigerante viene fatta variando, con un inverter, il numero di giri del compressore, in base al segnale di ritorno dalle valvole: se le valvole tendono a chiudere, il numero di giri diminuisce, riducendo la portata in tutto il circuito; il contrario se le valvole tendono ad aprire.
Ad ogni variazione di carico di raffreddamento o di riscaldamento di ogni ambiente condizionato, corrisponde perciò una variazione di posizione della valvola elettronica di espansione-regolazione dell’unità terminale. Nel tempo, a intervalli regolari, il microprocessore della motocondensante rileva queste variazioni e le confronta con un valore di riferimento, che è funzione della temperatura dell’aria esterna rilevata dall’apposito termistore.
La linea di gestione delle unità interne ed esterne è perciò una linea di comunicazione Bus che permette di realizzare quanto sopra descritto. Oggi il sistema può essere gestito da remoto attraverso una rete Ethernet da un pc o da sistema smart-phone.
Il comando all’inverter viene dato mettendo in parallelo i segnali delle termostatiche elettroniche affinché il numero di giri del compressore, quindi la portata volumetrica di refrigerante, sia regolata in modo da tenere in totale apertura almeno una valvola delle unità interne, generalmente quella dell’unità a maggior carico, garantendo le prestazioni volute con la minor portata di refrigerante possibile. Si ottiene, pertanto, un’ottimizzazione dell’efficienza energetica, che tende a migliorare, a parità di ogni altra condizione, riducendo la portata di refrigerante perché migliorano le pressioni di condensazione e di evaporazione dell’itero ciclo frigorifero.
Anche nel funzionamento a recupero di calore, il Box selettore di flusso colloquia con la linea bus per gestire le unità interne in contemporaneo funzionamento estivo e/o invernale. Il sistema che parte da pochi attacchi fino ad una ventina di attacchi trova all’interno delle valvole a due vie comandate dal sistema di controllo in grado di gestire le linee di alta e bassa pressione del gas e la linea del liquido.
Il processo principale di regolazione della capacità termo-frigorifera dei sistemi VRF e VRV sta nella modulazione della capacità della moto-condensante/evaporante attraverso la variazione della frequenza di alimentazione del compressore ad inverter e dei motori dei ventilatori anch’essi inverter. A ogni frequenza di alimentazione imposta dall’inverter, corrisponde perciò una variazione della velocità di rotazione del compressore. E per ogni variazione della velocità di rotazione corrispondono una variazione di portata del refrigerante e una variazione di potenza assorbita.
Attualmente si riesce a parzializzare su un range variabile dal 5% circa al 100% della capacità massima erogabile; ne risulta un sistema che si adatta bene ai carichi parziali di raffreddamento e riscaldamento. Le capacità di raffreddamento e di riscaldamento che si ottengono al massimo della parzializzazione sono talmente ridotte da poter alimentare anche un solo terminale della grandezza più piccola tra quelle disponibili. In tali condizioni operative il consumo energetico si riduce all’incirca a quello di uno mono-split di pari capacità termica.
I sistemi a refrigerante variabile con inverter permettono perciò di regolare la potenzialità desiderata fino a un minimo del 5%, dopodiché il compressore cesserà di funzionare, ovvero potrà lavorare in regime di on-off. A favore dei sistemi VRF e VRV vi è perciò il sistema di regolazione basato sulla variazione di portata volumetrica del refrigerante: al diminuire del carico richiesto, si riduce anche la portata di refrigerante e, di conseguenza, anche le perdite energetiche lungo le tubazioni.
I produttori di sistemi VRF e VRV insistono molto sulle loro prestazioni ai carichi parziali, piuttosto che nelle condizioni nominali di progetto, proprio per quanto esposto sopra.
VRF ad Acqua e Soluzioni Ibride
Senza entrare nel merito del loro funzionamento, e senza perdere di generalità, ormai da anni i sistemi VRF e VRV sono prodotti anche con unità da interno del tipo ad acqua, ossia moto-condensanti/evaporanti ad acqua. L’acqua può essere di falda, di mare e/o lago oppure una sorgente geotermica. Il sistema rimane inalterato per la distribuzione delle unità interne e il sistema può essere anche a recupero di calore. Come tipologia di installazione si preferisce l’introduzione di uno scambiatore di calore a piastre.
Se le macchine sono più di una, si preferisce la circuitazione idronica in parallelo a ritorno inverso in modo da rendere il circuito abbastanza bilanciato. Sulla resa della singola macchina (generalmente mono compressore ad inverter) abbinata alla sorgente acqua si rimanda alle prestazioni indicate nei numeri precedenti.
In situazioni particolari, in centri storici o dove l’unità esterna non può essere installata all’aperto e la soluzione di figura 10 non si può applicare, si segnala la possibilità di installare le unità esterne all’interno degli edifici e realizzare un canotto di espulsione dell’aria, garantendo sempre la corretta presa di aria esterna.
Un cenno, merita invece la possibilità dei sistemi VRF e VRV più evoluti degli ultimi anni, di realizzare soluzioni per così dire ibride; ossia impianti ad espansione diretta e idronici allo stesso tempo. Molti costruttori, danno la possibilità attraverso dei moduli che chiameremo idronici, di scambiare calore tra il fluido refrigerante e l’acqua di un circuito di riscaldamento a bassa temperatura quale può essere un sistema radiante e ancor più di innalzare la temperatura dell’acqua stessa ai livelli della sanitaria con moduli idronici aventi una piccola pompa di calore in serie alla principale con fluido frigorigeno R134a che ben si presta alle alte temperature di fine compressione.
Questo permette ad esempio di avere un impianto di climatizzazione estivo del tipo ad espansione diretta come quelli appena descritti e attraverso dei moduli idronici un sistema che in inverno produce acqua calda a bassa temperatura. Alla stessa stregua il modulo idronico può essere composto da una pompa di calore in serie al sistema VRF o VRV in grado attraverso, anche qui, un serbatoio di accumulo di alimentare un sistema di distribuzione di acqua calda sanitaria.
Considerazioni Ambientali e di Sicurezza
In secondo luogo, non vanno sottovalutati gli aspetti legati alla tutela dell’ambiente e alla sicurezza. Indubbiamente, un sistema che oggi usa il fluido frigorigeno R32, al posto del R410a più clima-alterante rispetto al primo, presenta aspetti legati alla sicurezza molto più restrittivi. La scelta oggi di usare R32, fluido con basso GWP ma classificato A2L ossia poco infiammabile, porta a rivedere i sistemi VRF e VRV.
Vantaggi dei Sistemi VRF
- Efficienza energetica: Fino a 6 EER e 5 COP, con possibilità di usufruire degli incentivi come la detrazione fiscale del 65% (Ecobonus).
- Flessibilità: Adatti per il settore terziario, con numerose possibilità di configurazione e diverse tipologie di unità interne combinabili.
- Controllo preciso: Gestione tramite sistemi di controllo a zona o centralizzati per settare modalità e temperatura desiderata.
- Versatilità: Sistemi a recupero di calore per riscaldare e raffrescare contemporaneamente locali diversi, ideali per strutture sanitarie, hotel e edifici con esposizioni diversificate.
Gli impianti VRF non necessitano dello spazio dove posizionare la centrale termica, come accade invece per le pompe di calore idroniche. Le possibilità di configurazione degli impianti VRF sono davvero numerose. Si possono posizionare più unità esterne a servizio di sezioni dello stesso edificio. Inoltre, alle unità esterne possono essere collegate diverse tipologie di unità interne: a parete, a cassetta, canalizzate, a soffitto-pavimento o a colonna. Tutte queste soluzioni possono essere combinate tra loro in base alle esigenze strutturali e alla direzione che si vuol dare all’aria in uscita (verticale oppure orizzontale, in base alle necessità di installazione).
Ogni impianto VRF può essere gestito con facilità tramite sistemi di controllo a zona o centralizzati che consentono di settare la modalità (automatica, riscaldamento, raffrescamento, deumidificazione e ventilazione) e la temperatura desiderata e comandare contemporaneamente anche più unità interne.
Tipologie di Sistemi VRF
- Climatizzatori estivi
- Sistemi in pompa di calore per la climatizzazione completa, invernale ed estiva
- Sistemi VRF a recupero di calore: permettono di riscaldare e raffrescare contemporaneamente locali diversi.
I VRF a recupero di calore sono particolarmente indicati per la climatizzazione di tutte quelle realtà che presentano esigenze termiche diversificate all’interno dello stesso stabile, ad esempio strutture sanitarie come ospedali e RSA, hotel e centri benessere e per edifici caratterizzati da ampie vetrate o con esposizione diversificate nord/sud.
Gli impianti basati tu tecnologia VRF consentono di riscaldare e raffrescare gli ambienti senza utilizzare il gas e offrono alcuni vantaggi rispetto alle pompe di calore idroniche, ma anche qualche criticità, legata soprattutto alla presenza dei gas refrigeranti nei circuiti di distribuzione del calore e anche a maggiori limitazioni nei dislivelli e nelle distanze.
La scelta della soluzione più indicata può essere fatta solo da un progettista competente che valuta tutte le caratteristiche dell’edificio e le necessità di climatizzazione in base alla destinazione d’uso dei locali, e che poi determina attraverso simulazioni ed esperienza la soluzione più adatta impiantisticamente ed energicamente.