Analisi della distribuzione dei fluidi termovettori in edifici civili ed industriali

Metodologia e obiettivi dell’analisi in relazione a casi di studio reali

La distribuzione dell’energia termica e frigorifera all’interno di strutture complesse come stabilimenti industriali, siti produttivi, edifici ad uso civile di medie-grandi dimensioni (quali scuole, ospedali, RSA, ecc.) rappresenta un aspetto spesso sottovalutato nell’ambito della conduzione degli impianti, ma di importanza fondamentale per il corretto funzionamento degli impianti a servizio dell’edificio o del processo produttivo.

Spesso, infatti, di fronte a criticità nella conduzione degli impianti, si ricerca la soluzione nel potenziare la generazione di energia termica o frigorifera per soddisfare il fabbisogno energetico degli edifici. Ad esempio, a fronte di difficoltà nel raffrescare una specifica area del sito, si assume che la causa risieda nel fatto che i gruppi frigoriferi installati non siano in grado di rendere disponibile adeguata potenza frigorifera all’impianto.

Perché analizzare il sistema di distribuzione dei fluidi termovettori

Il sistema di distribuzione dei fluidi termovettori è responsabile del corretto trasferimento dell’energia dalla sezione di generazione alle utenze. Ne deriva, quindi, che spesso le criticità riscontrate nella conduzione degli impianti non siano imputabili unicamente alla generazione, ma anche al modo con cui l’energia viene distribuita nell’edificio. 

Soprattutto in presenza di edifici con una lunga storia alle spalle, le modifiche impiantistiche susseguitesi nel corso del tempo hanno progressivamente degradato l’efficacia della distribuzione dei fluidi termovettori nello stabilimento. Si hanno, così, regioni dell’impianto caratterizzate da velocità del fluido nelle tubazioni non adeguate, schemi di distribuzione non più lineari, dove la direzione del fluido può invertirsi al variare della richiesta di energia da parte delle utenze.

Quali sono le conseguenze di un sistema di distribuzione non ottimale?

In presenza di un sistema di distribuzione non ottimale si creano delle discrepanze tra la portata del fluido termovettore richiesta dalle utenze e quella effettivamente fornita. Ad esempio, in un sistema idronico, un’utenza sfavorita dall’impianto di distribuzione riceverà una portata di acqua inferiore a quella effettivamente necessaria. Viceversa, se un’utenza è favorita dalla distribuzione, quest’ultima verrà alimentata con una porta di acqua superiore a quella stabilita.

In tali condizioni, le utenze opereranno in un regime di funzionamento che si discosta dalle condizioni di progetto. Gli effetti vanno da una minore efficienza nell’utilizzo dell’energia, all’impossibilità di garantire la corretta climatizzazione degli ambienti o il funzionamento delle utenze di processo.

Scopo dell’analisi del sistema di distribuzione dell’energia

Al fine di risolvere le criticità nella conduzione degli impianti, in presenza di problematiche legate all’utilizzo dell’energia termica nei siti oggetto di studio, è fondamentale verificare le reali condizioni operative dell’impianto. Questa analisi permette quindi di identificare le cause delle criticità degli impianti, quali, ad esempio:

• struttura di distribuzione non lineare con possibilità di inversione di flusso;
• tratti di tubazioni caratterizzati da una velocità di distribuzione del fluido eccessiva, con conseguenti elevate perdite di carico;
• grado di bilanciamento passivo della rete: presenza di utenze sfavorite o favorite dalla distribuzione;
• verifica del punto di funzionamento delle pompe a servizio del sistema di distribuzione.

Modalità di sviluppo dell’analisi

Lo studio inizia con l’acquisizione dei dati della rete di distribuzione, come l’elenco delle utenze, dei componenti meccanici quali pompe e sistemi di regolazione, schemi e planimetrie della rete.

Si procede, quindi, con la realizzazione di un modello di calcolo della rete, da cui si determinano le perdite di carico di ciascuna utenza in condizioni di funzionamento nominale. Da questa prima fase si ottiene una panoramica del grado di mal-distribuzione della rete, individuando quelle che potrebbero essere le utenze maggiormente sfavorite o favorite dall’alimentazione del fluido termovettore. 

In una fase successiva si determina il punto di equilibrio raggiunto dall’impianto nelle reali condizioni operative di funzionamento. Si ottiene, così, la portata di fluido termovettore effettivamente fornita alle utenze. Confrontando questi dati con la portata teorica richiesta dalle utenze è possibile valutare l’efficacia del sistema di distribuzione.

Dai risultati così ottenuti è possibile determinare la differenza di temperatura del fluido termovettore a cavallo di ciascuna utenza. Questo dato, confrontato con il relativo valore di progetto, permette di stabilire se sono presenti eventuali criticità nel funzionamento delle utenze servite dalla rete di distribuzione.

Il processo sopra descritto può essere ripetuto al fine di simulare il comportamento della rete di distribuzione al variare delle condizioni operative, oppure per valutare preventivamente l’effetto di eventuali interventi correttivi da realizzare sull’impianto.

Caso di studio reale: azienda farmaceutica in Provincia di Milano

La metodologia descritta nei paragrafi precedenti è stata applicata per l’ottimizzazione della distribuzione dell’acqua refrigerata a servizio delle utenze di climatizzazione e di processo dello stabilimento produttivo di un’azienda farmaceutica in Provincia di Milano. 

Il Cliente lamentava difficoltà nel garantire il corretto approvvigionamento dell’acqua refrigerata ad alcune Unità di Trattamento Aria (UTA) connesse alla rete di dell’acqua refrigerata. In particolare, il Cliente osservava che alcune utenze operavano con una differenza di temperatura a cavallo degli scambiatori di calore significativamente superiore al valore di progetto (pari a 5°C).

Lo studio ha permesso di determinare le perdite di carico alle utenze (Grafico 1) e il confronto tra la portata di acqua effettivamente alimentata alle utenze rispetto al valore richiesto (Grafico 2), con il conseguente scostamento del salto termico alle utenze dal valore nominale di 5°C (Grafico 3).

L’analisi ha permesso di rilevare che alcune delle linee in uscita dalla Centrale Frigorifera traferivano portate eccessive rispetto al diametro delle tubazioni. La stessa situazione è stata riscontrata anche su alcune diramazioni secondarie. A partire dall’analisi svolta sono stati realizzati i seguenti interventi correttivi:

• adeguamento di alcuni tratti di tubazione sottodimensionati rispetto alla potenza richiesta dalla sezione da esse servita;
• installazione di un nuovo gruppo di pompaggio per servire una specifica area dello stabilimento.

Grafico 1. Perdite di carico alle utenze alla portata nominale

Grafico 2. Confronto tra portata effettiva e portata richiesta

Grafico 3. Differenza di temperatura a cavallo delle utenze