L'INVERTER MITO O REALTA'

L’argomento è sicuramente interessante e presenta aspetti più complessi di quanto può sembrare ad
un primo approccio. Tre temi specifici aiutano ad approfondirlo adeguatamente. Il primo riguarda
l’applicazione dell’inverter nei compressori volumetrici, il secondo nei turbocompressori (centrifughi), mentre l’ultimo propone un confronto tra l’utilizzo dell’inverter nell’espansione diretta e nei gruppi frigoriferi.

É davvero conveniente l’uso dell’inverter nei gruppi frigoriferi? La logica direbbe di si, visto come viene pubblicizzato da chi lo usa. Sembra la panacea per tutti i mali del condizionamento

dell’aria e della refrigerazione, la soluzione ottimale che permette di avere alta efficienza energetica e regolazione pressoché perfetta in ogni condizione, anche con contenuti d’acqua dell’impianto molto contenuti. (Piccolo volano termico)

In parte ciò è vero, anche se la realtà appare molto più complessa e riserva sorprese, non sempre piacevoli.

Per prima cosa, bisogna capire chi lo usa. Nel condizionamento dell’aria l’inverter viene attualmente utilizzato:

- nei gruppi frigoriferi con turbocompressore centrifugo;

- nelle macchine ad espansione diretta (split-system e Vrf ) con compressori volumetrici, rotativi o scroll.

Tra compressori centrifughi e compressori volumetrici c’è una differenza abissale nel comportamento perché lavorano secondo principi diversi.

DIFFERENZE TRA COMPRESSORI VOLUMETRICI E TURBOCOMPRESSORI CENTRIFUGHI

I compressori scroll, vite e rotativi a palette, sono macchine volumetriche, mentre i compressori centrifughi sono turbomacchine. Il principio di funzionamento è totalmente diverso.

Nei compressori volumetrici la pressione aumenta perché si riduce il volume della camera di compressione tra ingresso ed uscita del refrigerante.

Nei turbocompressori non vi è riduzione del volume della camera di compressione, ma una variazione dinamica della direzione e della velocità del flusso di refrigerante. In particolare, la variazione di pressione avviene perché varia il momento della quantità di moto del refrigerante, come sarà meglio descritto nel secondo articolo dedicato ai compressori centrifughi.

Una prima sostanziale differenza nel comportamento è data dalla variazione del salto di pressione (o prevalenza) al variare del numerodi giri.

Mentre nei compressori volumetrici il salto di pressione ottenibile è sostanzialmente indipendente dalla velocità di rotazione, nelle turbomacchine il salto di pressione si riduce con il quadrato del numero di giri. Di conseguenza, mentre nei compressori volumetrici il numero dei giri può essere ridotto a prescindere dal salto di pressione richiesto, nei turbocompressori la riduzione è possibile solamente se vi è una contemporanea riduzione del salto di pressione.

Questo rappresenta un limite sostanziale che verrà approfondito nel secondo articolo della serie.

La portata di refrigerante, invece, varia linearmente con il numero di giri per entrambe le tipologie di compressore.

COMPRESSORI VOLUMETRICI:

CONSEGUENZE DELLA VARIAZIONE DI GIRI

Detta così parrebbe estremamente vantaggioso l’uso dell’inverter nei compressori volumetrici, proprio per le loro caratteristiche di funzionamento. Poter ridurre a piacimento il numero dei giri,

quindi la portata di refrigerante, qualsiasi sia il salto di pressione richiesto, consente una regolazione della potenza estremamente precisa. Il rendimento di regolazione è molto elevato, perché la riduzione di portata volumetrica comporta una diminuzione della pressione di condensazione, un aumento della pressione di evaporazione (cfr. fig. 1), quindi ad un valore di Eer superiore.

Ciò sarebbe completamente vero solo se la variazione del numero di giri non influenzasse il rendimento del compressore. In realtà, il rendimento dei compressori volumetrici è molto influenzato dalla variazione del numero di giri.In particolare:

- all’aumentare del numero di giri, aumenta la portata di refrigerante, per cui aumentano le perdite dovute al passaggio del refrigerante stesso negli orifizi di aspirazione e di scarico. Aumentano

anche gli attriti dovuti alla maggiore velocità di rotazione.

- Al diminuire del numero di giri, diminuiscono le perdite per il passaggio del refrigerante e per attrito.

Tuttavia peggiora la tenuta tra aspirazione e mandata, che nelle macchine volumetriche è sempre legata, anche se in modi diversi,alla velocità di rotazione.

Aumentano, quindi, le perdite per trafilamento tra mandata, a pressione maggiore, e aspirazione, a pressione minore. Questo aumento delle perdite fa peggiorare il rendimento al ridursi del numero

di giri, in modo drastico per velocità ridotte. In ogni caso non si può far funzionare un compressore a meno di 30 Hz per ragioni legate sia alla tenuta che alla lubrificazione.

E’ allora interessante calcolare come si modifichi il rendimento di un compressore volumetrico al variare sia della temperatura di condensazione che della frequenza della corrente di alimentazione

(quindi del numero di giri: la velocità di rotazione varia linearmentecon la frequenza).

Ai fini dell’analisi è stato scelto un compressore scroll con R410A di un costruttore giapponese, studiato per essere utilizzato con inverter.

Risultati simili si ottengono anche con compressori volumetrici diversi, come, ad esempio, i compressori a vite.

Il rendimento del compressore è ricavato come rapporto tra il Eer misurato e il Eer che si avrebbe nelle stesse condizioni con R410A e un compressore ideale con rendimento isoentropico pari a 1 utilizzante lo stesso refrigerante:

ηCOM =     Eer

               EerTH

dove:

ηCOM Rendimento del compressore.

Eer = Eer del compressore con R410A misurato in sala collaudo.

EerTH = Eer di un compressore ideale con R410A.

I risultati sono mostrati in figura 2 dove si nota chiaramente come il rendimento diminuisca fortemente al diminuire del numero di giri.

Ancora più interessante è valutare come vari il rendimento in funzione del rapporto di compressione, inteso come rapporto tra la pressione assoluta di mandata e la pressione assoluta di aspirazione.

Più alto è il salto di pressione richiesto, più alto è anche il rapporto di compressione.

La figura 3 mostra i risultati ottenuti. In qualunque condizione il rendimento è massimo a 60 Hz. Il punto di massimo si ottiene per un rapporto di compressione compreso tra 3 e 3,5.

Il rendimento diminuisce sia all’aumentare che al diminuire della frequenza.

Le curve a 90 Hz e a 50 Hz sono quasi sovrapposte. La riduzione

diventa consistente per frequenze al di sotto di 50 Hz.

Dalla figura 3 si può calcolare il rendimento per la variazione del numero di giri, secondo la

ηVG =      ηX

             η60Hz

dove:

ηVG Rendimento al variare del numero di giri.

ηX Rendimento nelle stesse condizioni alla frequenza X.

η60Hz Rendimento nelle stesse condizioni alla frequenza 60 Hz.

I risultati sono riportati nella figura 4.

Come si vede, la riduzione è tanto più marcata quanto maggiore è il rapporto di compressione e quanto più bassa è la frequenza. Fino a 50 Hz il rendimento si mantiene superiore al 90% in tutte le condizioni, ma al di sotto di tale valore la situazione peggiora. A 30 Hz il rendimento varia dal 75% con bassi rapporti di compressione, per scendere quasi al 50% per rapporti di compressione pari a 6,5. Di conseguenza, la parzializzazione tramite inverter ha un rendimento sufficientemente elevato fino a che si regola tra 90 Hz e 45 - 40 Hz, ma peggiora nettamente per frequenze inferiori. Tanto per dare dei punti di raffronto, un compressore a vite con cassetto ha un rendimento in parzializzazione pari a 0,92 al 75% della portata di refrigerante di e dello 0,8 al 50% della portata di refrigerante. Questi valori sono abbastanza simili a quelli ottenibili con l’inverter fino a circa 40 Hz, ma diventano nettamente inferiori per frequenze minori.

I risultati della figura 4 sono molto importanti, perché fanno intuire che l’inverter può portare a buoni risultati nel caso di gruppi frigoriferi funzionanti in solo freddo (rapporto di compressione inferiore a 4), mentre più dubbia è la loro applicazione nelle pompe di calore in regime invernale (rapporto di compressione prossimo a 6).

APPLICAZIONE NEI GRUPPI FRIGORIFERI

Per prima cosa bisogna verificare quale sia la variazione di resa del compressore e quindi del gruppo frigorifero al variare del numero di giri.

Al ridursi della velocità di rotazione, diminuisce la temperatura di condensazione e aumenta leggermente la temperatura di evaporazione.

Di conseguenza la potenza fornita dal compressore diminuisce in modo minore rispetto alla riduzione di velocità.

La figura 5 sintetizza questo concetto. In funzione della temperatura dell’aria esterna, la riduzione della frequenza deve sempre essere superiore alla riduzione di potenza richiesta. Ad esempio, a 35°C, se il 100% di potenza viene fornito a 90 Hz, il 60% della potenza si ottiene a 48 Hz, anziché a 54 Hz come sarebbe se la riduzione fosse assolutamente lineare.

A 20°C dell’aria esterna il 100% di potenza si ottiene a 73 Hz (quindi con una riduzione del 19% dei giri), mentre per ottenere il 60% della potenza la frequenza deve scendere a 43 Hz. Di conseguenza la riduzione di potenza avviene ad alta efficienza (ovvero con alimentazione

superiore a 45 Hz) solamente per percentuali superiori al 54% e al 63% della potenza, a seconda della temperatura dell’aria.

Per potenze inferiori il rendimento di parzializzazione scende drasticamente, rendendo poco conveniente l’utilizzo dell’inverter. In ogni caso non è possibile parzializzare oltre il 38% in qualunque condizione. Oltre questa soglia il compressore deve lavorare Onoff.

GRUPPI FRIGORIFERI MONOCOMPRESSORE

Nel caso di piccoli gruppi frigoriferi monocompressore l’uso dell’inverter permette una efficace regolazione della temperatura in uscita, altrimenti impossibile con la regolazione on-off. Per questo

motivo ha senso sfruttare il più possibile la riduzione di potenza frigorifera (riduzione fino a 30 Hz) anche a costo di penalizzare il rendimento in parzializzazione.

Dal punto di vista dell’efficienza energetica, il vantaggio dell’uso dell’inverter varia di molto a seconda del contenuto d’acqua dell’impianto.

L’importanza del contenuto d’acqua è sottolineata nel testo [1] citato in bibliografia, cui si rimanda per eventuale approfondimento. La figura 6 mostra l’andamento del Eer del gruppo frigorifero nei

due casi in esame, per impianti con elevato contenuto d’acqua (10 litri per ogni kW di potenza frigorifera) ed impianti con scarso contenuto d’acqua (2,5 litri per ogni kW frigorifero). Le curve sono realizzate secondo il metodo usato per calcolare l’indice energetico stagionale europeo Eseer che prevedono 35°C di temperatura dell’aria esterna al 100% del carico, 30°C al 75%, 25°C al 50% e 20°C al 25%.

Nel caso di elevato contenuto d’acqua, l’efficienza del gruppo frigorifero con inverter si mantiene superiore fino a circa il 45% del carico frigorifero. Al 75% della potenza si ha un miglioramento pari

al 15% di Eer, mentre al 50% della potenza si ha un miglioramento di Eer del 5%. Solo al 25% della potenza l’Eer peggiora di circa il 15%.

Nel caso di contenuto d’acqua scarso l’efficienza del gruppo frigorifero con inverter si mantiene sempre superiore. Tra il 75% e il 50% della potenza, l’aumento di Eer dovuto all’inverter si attesta tra il 30% ed il 25%.

Di conseguenza per piccoli gruppi frigoriferi l’uso dell’inverter sembra essere sempre conveniente.

GRUPPI FRIGORIFERI A PIÙ COMPRESSORI

I gruppi frigoriferi con più compressori si comportano in modo diverso a secondo del tipo di compressore adottato.

I gruppi frigoriferi con compressori scroll montati gemellati (due o più su ogni singolo circuito) sono i più efficienti in assoluto, come chiaramente esposto nel testo [1] citato in bibliografia. Per macchine di questo tipo non è assolutamente conveniente utilizzare l’inverter in tutti i compressori, perché aumenterebbe il loro costo e diminuirebbe l’efficienza totale, a causa del basso rendimento in parzializzazione al variare del numero di giri. Molto meglio utilizzare un unico compressore con inverter per ogni singolo circuito, mettendolo in parallelo con altri privi d’inverter.

Questo compressore non deve mai lavorare al di sotto della frequenza di 45 Hz per limitare al massimo l’inefficienza del sistema.

La regolazione deve avvenire riducendo prima il numero di giri del compressore con inverter, fino a 45 Hz. Al di sotto di questa soglia, i disattiva uno degli altri compressori del circuito, mentre il compressore con inverter torna a funzionare alla frequenza richiestadal carico frigorifero.

Se l’impianto ha un elevato contenuto d’acqua (10 litri per ogni kW di potenza frigorifera), l’efficienza stagionale Eseer di un gruppo frigorifero così regolato non è molto superiore a quella di un altro gruppo con lo stesso numero di compressori regolati On-off. Viceversa, se il contenuto d’acqua è basso, il vantaggio energetico si fa rilevante, come spiegato nel testo [1] citato in bibliografia. In ogni caso, la regolazione della temperatura dell’acqua in uscita è migliore con l’utilizzo dell’inverter.

Con i compressori a vite l’utilizzo dell’inverter permette un miglioramento dell’efficienza solamente se si limita la riduzione della frequenza a 45 Hz.

Anche in questo caso i vantaggi si hanno in particolare modo negli impianti con scarso contenuto d’acqua, come meglio descritto nel testo [1] citato in bibliografia.

APPLICAZIONI NELLE POMPE DI CALORE

L’uso dell’inverter nelle pompe di calore in regime invernale sembra meno conveniente rispetto al solo funzionamento estivo. Vi sono due fattori che incidono negativamente:

- nel funzionamento invernale le pompe di calore lavorano con un elevato rapporto di compressione, a causa dell’elevata temperatura di condensazione. In queste condizioni il rendimento del compressore si abbassa drasticamente al ridursi del numero di giri,

come mostrato nella figura 4.

- Nel funzionamento invernale delle pompe di calore, la potenza assorbita dal compressore contribuisce all’effetto utile. Infatti si sfrutta il calore ceduto nel condensatore, che è pari al calore sottratto all’aria dall’evaporatore più la potenza elettrica assorbita dalcompressore. Pertanto, a parità di calore sottratto all’aria, più basso è il rendimento del compressore, maggiore è l’effetto utile, così

come mostrato nella figura 7: il peggioramento del rendimento fa aumentare l’effetto utile del tratto 2a - 2. Si ha una sorta di “reazione a catena”: più il rendimento del compressore peggiora, più aumenta la potenza ceduta dal condensatore, più bisogna abbassare il numero di giri per adeguarsi alla potenza richiesta, peggiorando ulteriormente il rendimento.

Nel funzionamento invernale le pompe di calore richiedono una maggiore parzializzazione rispetto ai gruppi frigoriferi, soprattutto alle temperature più elevate dell’aria esterna. Ciò soprattutto perché

si alza la temperatura di evaporazione che contribuisce molto alla resa del compressore. La figura 8 mostra quanto debba variare la frequenza di alimentazione del compressore per adeguarsi al carico

richiesto, in funzione della temperatura dell’aria esterna. Se la pompa di calore è dimensionata per fornire il 100% di potenza a 90 Hz con una temperatura dell’aria esterna di -5°C, alla stessa

temperatura dell’aria la regolazione può avvenire in modo sufficientemente efficiente (45 Hz) solamente fino a 58% della potenza.

Quando la temperatura dell’aria aumenta a 5°C il 100% di potenza si ottiene con una frequenza di 66 Hz, quindi con un rendimento elevato. A questa temperatura, però, la regolazione può essere

effettuata solamente fino al 72% della potenza, se non si vuole abbattere il rendimento.

Peggio ancora quando la temperatura si alza fino a 15°C: la potenza del 100% si ottiene con una frequenza di 51 Hz e la regolazione deve essere limitata al 92%.

Per questi motivi, l’utilizzo dell’inverter nelle pompe di calore in regime invernale sembra dare risultati energetici molto meno interessanti rispetto ai gruppi frigoriferi funzionanti in solo freddo.

POMPE DI CALORE MONOCOMPRESSORE

Nel caso di pompe di calore di piccola potenza monocompressore, l’utilizzo dell’inverter può facilitare la regolazione della temperatura d’uscita dell’acqua. Un altro vantaggio è quello di parzializzare la portata di refrigerante, riducendo la formazione di brina sulla batteria evaporante [2].

Tuttavia, malgrado questi vantaggi, dal punto di vista energetico l’uso dell’inverter porta ad un peggioramento del Cop a quasi tutte le condizioni di funzionamento, così come mostrato in figura 9.

Come si vede, solamente con temperatura dell’aria molto bassa (-5°C) e potenza richiesta tra il 90% e il 75%, l’inverter permette dei minimi vantaggi. In tutti gli altri casi le macchine senza inverter sono più efficienti.

Bisogna fare alcune considerazioni:

- quanto detto vale per i sistemi idronici: per l’espansione diretta le condizioni al contorno sono diverse, come meglio spiegato nel terzo articolo della serie.

- Perdite inferiori si hanno se si produce acqua a temperatura inferiore a 45°C perché si riduce il rapporto di compressione.

- La figura 9 è valida per impianti ad alto contenuto d’acqua. In impianti a basso contenuto d’acqua vi può essere un ribaltamento a favore dell’inverter.

Tuttavia, a parere dell’autore, progettare impianti con pompe di calore e basso contenuto d’acqua è cosa da evitare assolutamente, perché dissennata.

POMPE DI CALORE A PIÙ COMPRESSORI

Alla luce di quanto sopra riportato, non sembra utile applicare l’inverter a pompe di calore con compressore scroll gemellati (più compressori in un unico circuito) perché non può portare ad alcun

miglioramento del Cop.

Forse l’utilizzo di un sistema come quello descritto in precedenza per i gruppi frigoriferi in solo freddo può permettere una regolazione più fine della temperatura di produzione dell’acqua, senza

però migliorare l’efficienza energetica. Tuttavia l’applicazione va comunque studiata a fondo, anche attraverso prove sperimentali sul campo.

L’autore non ha mai amato le pompe di calore con i compressori a vite, perché ritenuti poco adatti a questo utilizzo [2].

Al di là di queste considerazioni personali, dall’analisi precedente non sembra che l’utilizzo dell’inverter in questi compressori possa portare a benefici a livello energetico: anzi, è probabile il contrario.

Anche in questo caso, però, ben vengano le applicazioni sperimentali, le uniche effettivamente in grado di chiarire completamente ogni dubbio sulle reali prestazioni dei compressori.

COMPRESSORI SCROLL: SISTEMI DI PARZIALIZZAZIONE ALTERNATIVI ALL’INVERTER

Non tutti i produttori di compressori scroll puntano sull’inverter come sistema di parzializzazione ad alta efficienza. In particolare la Copeland propone un compressore diverso, chiamato Digital.

Grazie ad un sistema basato su una valvola a solenoide esterna al compressore, il sistema permette di effettuare dei cicli di funzionamento on-off del compressore molto ravvicinati tra loro [3]. In

pratica il motore del compressore non viene mai fermato, ma la disattivazione del compressore avviene scostando di circa 1 mm in verticale le due spirali.

Quando ciò avviene la spirale collegata al motore gira a vuoto senza comprimere il refrigerante.

In pratica il compressore lavora con cicli on-off molto ravvicinati. Secondo il documento [3] il ciclo totale dura 20 secondi: al 75% del carico per 15 secondi il compressore è on e per 5 Off. Al 50% del carico la divisione è 10 secondi On e 10 secondi Off, mentre al 25%

del carico la divisione è 5 secondi On e 25 secondi Off. Quando il compressore è On le prestazioni sono simili al pieno carico.

Non si hanno dati ufficiali del funzionamento del Digital Scroll in parzializzazione.

Tuttavia si possono fare delle considerazioni interessanti già con questi pochi dati a disposizione.

Il sistema sembra efficiente: le uniche perdite sono date dall’energia spesa comunque per far girare il rotore. Tuttavia, nelle fasi di scostamento delle spirali non vi è lavoro di compressione, per cui il

consumo è molto limitato. Si può pensare ad una perdita massima del 5% -7% del valore minimo di parzializzazione, pari al 10% del carico.

I dubbi maggiori sono invece legati all’effettiva riduzione della pressione di condensazione in parzializzazione. Nei compressori con inverter la riduzione avviene sicuramente, perché diminuisce

la portata volumetrica.

Nel sistemi con il Digital Scroll, invece, la variazione di portata volumetrica si ha nell’arco dei 20 secondi di funzionamento, nel senso che per x secondi la portata è massima e per 20 – x secondi è nulla.

Sicuramente vi è un abbassamento della pressione di condensazione anche nei sistemi con Digital scroll perché nei 20 – x secondi in cui la portata del refrigerante è nulla la pressione tende a portarsi a quella corrispondente alla temperatura dell’aria esterna.

Per sintetizzare, appare probabile che la riduzione si pressione ci sia, ma sia inferiore a quella ottenibile con l’inverter, tanto più quanto minore è la parzializzazione (al 75% del carico la temperatura di condensazione con inverter è nettamente inferiore a quella con Digital, mentre al 25% del carico sono quasi equivalenti).

Pertanto, rispetto ad un compressore con inverter, il Digital scroll dovrebbe risultare più conveniente per le basse percentuali dei carico (circa dal 50% in giù), specialmente se il rapporto di compressione è elevato, come nel caso delle pompe di calore.

L’utilizzo dell’inverter nei gruppi frigoriferi è sicuramente una strada da seguire, specialmente nel caso di macchine di piccola potenza con un unico compressore. I vantaggi sono legati ad un migliore controllo della temperatura e ad una maggiore efficienza energetica sopratutto in impianti con basso contenuto d’acqua.

Nelle pompe di calore in regime invernale l’inverter porta ad un peggioramento delle prestazioni energetiche, a causa della diminuzione del rendimento del compressore ad alti rapporti di compressione e bassi numero di giri.

In questa particolare condizione sembra migliore il sistema di parzializzazione alternativa con separazione ciclica delle spirali dello scroll, utilizzata nel Digital scroll anche se oggi con i nuovi scroll ad iniezione sembra che ci siano stati dei passi in avanti.

BIBLIOGRAFIA

 “How does the Copeland Digital Scroll work?”, didattiche Copeland

all’indirizzo web http://www.emersonclimate.com/mea/

jsp/edu_dig_works.jsp.