Tipi di impianti: differenze tra VRF, chiller, HVAC e split

Differenze tra i vari tipi di impianto in base al fluido termovettore: VRF, chiller, pompe di calore, UTA e split.

Tra le altre cose, gli impianti di condizionamento e climatizzazione possono essere categorizzati anche sulla base del fluido termovettore sfruttato per distribuire l’energia termica prodotta dal generatore.

Potremmo optare per:

1. Impianti a fluido refrigerante a espansione diretta, come i VRV (Variable Refrigerant Volume) / VRF (Variable Refrigerant Flow), i mono o i multisplit;
2. Impianti ad acqua idronici, che sfruttano generatori quali chiller solo freddo (refrigeratori di liquido o gruppi frigo), pompe di calore o caldaie;
3. Impianti ad aria riscaldata o raffreddata da appositi sistemi HVAC completi di unità di trattamento aria (UTA) e inviata agli ambienti attraverso canali;

Espansione diretta a fluido refrigerante: VFR e split

I VRV / VRF (sinonimi in quanto VRV è il marchio registrato Daikin, mentre VRF è il termine generico usato per questa tipologia di sistema), così come i monosplit e i multisplit, sono degli impianti detti ad espansione diretta (il refrigerante si espande nelle unità interne e cede calore) ed impiegano come fluido termovettore un refrigerante: R410A, R32, R290 ecc.

Lo scambio termico tra refrigerante e aria ambiente avviene direttamente nella batteria dell’unità interna senza un circuito idronico intermedio. Di contro, le prestazioni dei sistemi ad espansione diretta sono influenzate anche dalle condizioni ambiente, non solo dalle condizioni dell'aria esterna.

Le unità interne che racchiudono la valvola di laminazione e la batteria possono essere gli split, cassette, canalizzabili, a parete, a soffitto e a pavimento.

Ma quali sono le differenze, i pro e i contro.

Differenze tra VFR e split

I VRF sono più performanti dei multisplit in quanto il compressore inverter, variando la velocità, fornisce diverse portate di refrigerante. La portata di refrigerante si adatta alle richieste di ogni unità interna permettendo di collegare all'unità esterna un notevole quantitativo di unità interne. Sono inoltre modulari.

I VRF garantiscono un'alta efficienza anche non a pieno regime, permettendo così di ottenere un notevole risparmio energetico. Vengono installati in fabbricati composti da molti ambienti quali ospedali, uffici, centri commerciali o medio-grandi condomini. Con i VRF si riesce a coprire grandi distanze e a trattare potenze maggiori rispetto a un classico multisplit.

Un ulteriore vantaggio è rappresentato dall’assenza del fluido termovettore intermedio e dalla regolazione individuale particolarmente efficiente della resa frigorifera. Si tratta di impianti più complessi da progettare e gestire con l'obiettivo di lavorare tra sorgenti termiche con la minima differenza di temperatura possibile. Possono essere dotati di recupero del calore per poter riscaldare e raffrescare in contemporanea due ambienti differenti (dall'unità esterna escono due tubazioni e grazie ad un separatore si crea una miscela bifasica: gas caldo per il riscaldamento e liquido per il raffreddamento, ma esiste anche un'architettura a 3 tubi).

Un altro pro del VRF riguarda le grandi distanze a cui può essere posta l’unità esterna rispetto alle interne, anche fino a 125 metri.

Le unità interne dei VRF sono dotate di valvole PMV per il controllo e nelle configurazioni più semplici hanno una linea del liquido in mandata (in raffreddamento) e gas di ritorno (in raffrescamento).

Mentre il multisplit, rispetto al VRF (o mini VRF), è più semplice da usare, non richiede FGAS ogni anno.

Il multisplit è adatto ad ambienti con carico termico omogeneo come i nostri appartamenti. Difatti, i multisplit sono i sistemi più utilizzati nell’edilizia residenziale.

Impianti ad acqua

I chiller utilizzano quale fluido per refrigerare gli ambienti l'acqua e sono a servizio di terminali dell’impianto di condizionamento quali ventilconvettori fancoil, unità trattamento aria, travi fredde, circuiti a pavimento, soffitto o parete, ecc.

Rispetto ai VRV, il refrigerante rimane confinato nel gruppo frigorifero, mentre nell’edificio circola acqua. Possono essere dotati anch'essi di recupero del calore per poter riscaldare e raffrescare in contemporanea due ambienti differenti e possono generare sia il caldo che il freddo.

I chiller potrebbero essere dotati di sistemi di accumulo del freddo in appositi serbatoi da erogare in caso di picchi di richiesta.

È fondamentale dimensionare correttamente le pompe (circolatori) del circuito idronico.

Impianti ad acqua o VRF?

L’espansione diretta permette di evaporare a temperature superiori o condensare a temperature inferiori, a parità di effetto utile, rispetto a un sistema idronico, con conseguente aumento dell’efficienza (a parità di condizioni, i sistemi VRF garantiscono COP ed EER superiori rispetto agli idronici) in quanto il gas refrigerante gode di un'inerzia più bassa. Di contro, l'espansione diretta pone più limiti al progettista.

I diametri dei tubi sono superiori per gli impianti idronici (ad esempio per potenze attorno ai 25 kW, per il sistema VRF occorrono tubi gas da 22,2 mm e liquido da 12,7 mentre per il sistema idronico tubi da 40 mm). Temperature di esercizio maggiori per i VRF. Nei sistemi idronici la perdita di temperatura nei tubi comporta una perdita di efficienza proporzionale al salto termico. L'idronico garantisce una vasta gamma di soluzioni e sistemi per il controllo delle condizioni ambientali (umidità, temperatura e qualità dell'aria).

4. Impianti ad aria

Negli impianti ad aria, o impianti tutt'aria, il fluido utilizzato per trasferire l'energia termica agli ambienti è direttamente l'aria. L'aria viene trattata centralmente e successivamente distribuita nei diversi locali mediante una rete di canali.

Il cuore dell'impianto è generalmente costituito da una UTA, Unità di Trattamento Aria, nella quale l'aria può essere filtrata, riscaldata, raffreddata, deumidificata o umidificata prima di essere immessa negli ambienti.

A differenza di un impianto idronico, nel quale l'acqua trasporta l'energia fino ai terminali installati nei locali, in un sistema tutt'aria è la stessa aria climatizzata a soddisfare, totalmente o prevalentemente, il fabbisogno termico degli ambienti.

La UTA può trattare una miscela composta da aria esterna di rinnovo e aria di ricircolo. Una parte dell'aria estratta dagli ambienti può inoltre attraversare un recuperatore di calore, cedendo energia all'aria esterna in ingresso e riducendo così il fabbisogno energetico necessario al suo trattamento.

Una UTA può essere costituita, a seconda delle esigenze, da:

• sezione di presa e miscelazione dell'aria esterna e dell'aria di ricircolo;
• filtri per il trattamento dell'aria;
• batteria di riscaldamento;
• batteria di raffreddamento e deumidificazione;
• sistema di umidificazione, quando necessario;
• ventilatori di mandata e di ripresa;
• eventuale recuperatore di calore;
• serrande di regolazione;
• sistemi di controllo e regolazione.

Le batterie della UTA possono essere alimentate da acqua calda e refrigerata prodotta, ad esempio, da una pompa di calore o da un chiller. Esistono inoltre unità nelle quali il raffreddamento viene realizzato direttamente attraverso un circuito frigorifero ad espansione diretta.

Dalla UTA l'aria viene distribuita negli ambienti mediante canali di mandata e immessa attraverso bocchette, diffusori o ugelli. Una rete di ripresa riporta invece l'aria verso la UTA oppure la espelle all'esterno.

Negli impianti tutt'aria è quindi possibile gestire con un unico sistema non soltanto il riscaldamento e il raffrescamento, ma anche il ricambio dell'aria, la filtrazione, l'umidità e la qualità dell'aria interna.

4.1 Impianti CAV e VAV

Gli impianti ad aria possono essere realizzati secondo differenti configurazioni. Una delle principali distinzioni riguarda i sistemi CAV e VAV.

Nei sistemi CAV, Constant Air Volume, la portata d'aria immessa negli ambienti rimane sostanzialmente costante, mentre la potenza fornita viene regolata principalmente modificando la temperatura dell'aria di mandata.

Nei sistemi VAV, Variable Air Volume, invece, la portata d'aria inviata alle singole zone viene modulata in funzione del carico termico richiesto. Apposite cassette o terminali VAV regolano la quantità di aria distribuita a ciascun ambiente o zona.

La regolazione VAV permette di ridurre la portata d'aria quando il carico diminuisce e può quindi consentire una riduzione dei consumi dei ventilatori rispetto a un sistema a portata costante, soprattutto negli edifici caratterizzati da carichi variabili.

4.2 Vantaggi degli impianti tutt'aria

Il principale vantaggio degli impianti tutt'aria è la possibilità di effettuare un controllo completo delle condizioni ambientali. Oltre alla temperatura, infatti, possono essere gestiti il ricambio dell'aria, la filtrazione, la deumidificazione e, quando necessario, l'umidificazione.

Questi sistemi sono particolarmente indicati negli edifici nei quali è necessario garantire elevate portate di aria esterna o un controllo preciso della qualità dell'aria, come uffici, scuole, strutture sanitarie, alberghi, centri commerciali, sale conferenze, laboratori e grandi edifici del terziario.

Un ulteriore vantaggio è rappresentato dalla possibilità di concentrare buona parte dei componenti principali dell'impianto all'interno di una centrale tecnica, facilitando alcune operazioni di manutenzione.

4.3 Svantaggi degli impianti tutt'aria

Lo svantaggio principale è rappresentato dagli ingombri delle canalizzazioni. L'aria possiede infatti una capacità di trasporto dell'energia termica molto inferiore rispetto all'acqua e, per trasferire potenze elevate, sono necessarie portate d'aria importanti e quindi canali di dimensioni considerevoli.

Per questo motivo gli impianti tutt'aria richiedono generalmente controsoffitti, cavedi e locali tecnici adeguatamente dimensionati.

Un altro aspetto importante riguarda il consumo elettrico dei ventilatori, che devono vincere le perdite di carico presenti lungo filtri, batterie, recuperatori, serrande, canali e terminali.

Particolare attenzione deve essere posta anche alla progettazione della distribuzione dell'aria, perché velocità eccessive o una disposizione non corretta dei diffusori possono generare rumore e correnti d'aria percepite dagli occupanti.

4.4 Impianti tutt'aria e sistemi misti aria-acqua

Non tutti gli impianti dotati di UTA possono essere definiti propriamente tutt'aria. In molti edifici la UTA viene utilizzata principalmente per garantire il rinnovo e il trattamento dell'aria esterna, mentre il carico termico degli ambienti viene soddisfatto prevalentemente mediante terminali alimentati ad acqua, come fancoil, pannelli radianti o travi fredde.

In questo caso si parla più propriamente di sistemi misti aria-acqua: l'aria provvede principalmente alla ventilazione e al controllo della qualità dell'aria, mentre l'acqua trasporta la maggior parte dell'energia necessaria al riscaldamento e al raffrescamento.

Di seguito uno schema degli impianti tutt'aria:

Spero che l'articolo ti sia stato utile. A presto, Vincenzo.