Valutata l’entità della deriva termica che si avrebbe con l’utilizzo di una pompa di calore geotermica per il raffrescamento continuativo del centro di calcolo, è facilmente intuibile che l’utilizzo della sola fonte geotermica per la climatizzazione richiesta risulta essere impensabile o comunque inadatta.
Si cercano dunque soluzioni e possibili configurazioni impiantistiche tese alla risoluzione del problema della deriva termica e ad una efficiente climatizzazione dell’edificio. A tal proposito si è pensato di valutare il funzionamento di una pompa di calore aria-acqua in modo da poter considerare un funzionamento alternato dei due impianti in periodi diversi dell’anno. Secondo la configurazione che si intende sviluppare, la soluzione ad aria rappresenterebbe un vero e proprio circuito di emergenza a cui affidare la climatizzazione del Data Center per evitare la deriva termica del terreno. La soluzione può inoltre essere utile per facilitare le operazioni di manutenzione garantendo al contempo la continuità del servizio di climatizzazione.
Figura 7,8: Configurazione impiantistica proposta
8.1- Influenza della temperatura esterna sulle prestazioni di una pompa di calore ad aria
Scelta una possibile configurazione impiantistica percorribile, si valutano a questo punto le possibili performance della soluzione funzionante ad aria. Si tenga presente che l'aria ambiente è disponibile ovunque ed è per questo una sorgente dotata di grande potenzialità. Lo sfruttamento dell'aria come sorgente esterna non richiede peraltro alcuna opera edilizia specifica per l'installazione della macchina. Rispetto all’altra sorgente oggetto d’esame, ovvero il terreno, l’applicazione di una pompa di calore ad aria, richiede un investimento iniziale minore e tempi di realizzazione dell'opera contenuti. Tuttavia, come noto, la climatizzazione e in particolare le performance della macchina sono in questo caso fortemente influenzate dalle variazione climatiche del luogo di installazione e in modo particolare dalla variabilità della temperatura dell’aria esterna. Proprio per questa ragione tali applicazioni sono più difficili da gestire in modo ottimale. Infatti, nei giorni più freddi, quando la richiesta di calore degli ambienti è massima, le PDC ad aria forniscono le potenze minori. La medesima situazione si verifica in fase di raffrescamento in quanto all’aumentare delle temperature esterne cresce il fabbisogno di potenza frigorifera all’interno dell’edificio e al tempo stesso diminuisce l’efficienza della macchina in quanto, avendo temperature maggiori al condensatore, occorre una maggiore spesa di energia elettrica assorbita dal compressore. Pertanto, il fabbisogno dell’utenza in termini di riscaldamento e di raffrescamento è schematizzabile rispettivamente con una curva decrescente e crescente all’aumentare della temperatura dell’ambiente esterno. Andamento opposto invece ha la potenza da fornire da parte della pompa di calore.
Figura 7,9: Andamento fabbisogno, potenza fornita e determinazione del punto d bilanciamento
In generale dunque si sceglie il punto di funzionamento (e quindi la taglia) della macchina non in virtù della temperatura più estrema ma in virtù della temperatura che si verifica con maggiore frequenza nel periodo considerato.
Per la valutazione delle temperature esterne e in modo particolare delle frequenza con cui si manifestano, un metodo largamente utilizzato in ambito ingegneristico è il cosiddetto metodo dei BIN. Si tratta di un metodo semplificato basato sulla frequenza oraria, ovvero sul numero di ore in cui una certa temperatura si verifica in una data località e risulta tanto più preciso quanto più si utilizza con accuratezza. Il metodo consiste nel suddividere il campo di escursione della temperatura esterna in tanti piccoli intervalli definiti appunto “BIN”. Ogni BIN è definito da un intervallo di temperatura dell’aria ambiente di ampiezza pari ad 1K e per ognuno di questi viene associato un numero di ore con temperatura esterna compresa nell’intervallo di definizione del bin i-esimo.
Figura 7,10: Esempio metodo dei BIN
8.2- Monitoraggio delle temperature esterne
Prendendo come località di riferimento Pisa, sono state raccolte le temperature medie giornaliere relative all’anno 2017 e sono stati sommati i giorni (e quindi le ore) per cui ognuna delle temperature rilevate si ripetono. In questo modo è stato possibile costruire il relativo istogramma (Temperatura;Ore).
Figura 8,1: Metodo dei BIN per le temperature di Pisa (anno 2017)
61 0 100 200 300 400 500 600 700 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 Tem p o (h ) Temperatura Esterna (°C)
BIN ANNUALI
Text , h8.3- Valutazione EER
Trovato l’andamento e la distribuzione delle temperature esterne, ci si propone a questo punto l’obiettivo di valutare l’andamento dell’EER al variare di queste al fine di valutare l’andamento delle prestazioni della pompa di calore.
Normalmente si tiene conto del fatto che al variare delle temperature esterne il fabbisogno termico dell’edificio aumenta o diminuisce in funzione di tale variazione. In un Data Center, pur dovendo comunque tenere in considerazioni il mantenimento di condizione di benessere dei vari operatori o manutentori che possono transitare all’interno della sala CED, ci si pone principalmente l’obiettivo di asportare il calore sviluppato dalle apparecchiature operanti. Per le valutazioni che si faranno da questo momento in poi si considera quindi una potenza termica da asportare in modo continuativo dell’ordine di 1MW.
A tal proposito si è fatto riferimento ad una macchina presente in commercio. In particolare la scelta è ricaduta su un Chiller reperibile dal catalogo Clivet.
Figura 8,2: Chiller condensato ad aria scelto
Il prodotto scelto consente un grande risparmio sul costo di gestione dell’impianto nelle applicazioni che necessitano di acqua refrigerata anche durante la stagione fredda, come per esempio processi industriali, Data Center appunto, telecomunicazioni, applicazioni tecnologiche e centri commerciali. In particolare una peculiarità importante di tale prodotto è la possibilità di lavorare in modalità Free Cooling totale o parziale fino a quando la temperatura esterna è inferiore alla temperatura dell’acqua di mandata del circuito interno. In questo modo, ogni qual volta si registrano opportune temperature esterne, il sistema recupera freddo dall’esterno e riduce il funzionamento dei compressori fino ad annullarlo completamente alle basse temperature. La potenza frigorifera desiderata viene così erogata praticamente a costo zero.
La scheda tecnica fornita dal costruttore si riferisce alle seguenti condizioni: - Temperatura dell’aria in ingresso al condensatore 𝑇𝑐𝑜𝑛𝑑,𝑖𝑛= 35°C;
- Salto di Temperatura al condensatore ∆𝑇𝑐=5°C;
- Temperatura di mandata dell’acqua lato circuito interno pari a 7°C; - Salto di Temperatura all’evaporatore ∆𝑇𝑒=5°C.
Pertanto i valori prestazionali del prodotto selezionato sono:
Potenza Frigorifera (kW) 1043
Potenza Assorbita (kW) 350
EER (EN 14511:2013) 3,01
Per quanto riguarda la modalità Free Cooling, la macchina è in grado di funzionare secondo il seguente andamento:
Figura 8,3: Andamento potenza frigorifera gratuita in modalità Free Cooling
Si evidenzia quindi che fino a quando si registrano temperature esterne pari a -2 °C si riesce ad ottenere una completa copertura del fabbisogno frigorifero in modo gratuito. Con il progressivo aumento della temperatura si registra una diminuzione degli apporti di raffrescamento gratuiti fino ad arrivare alla temperatura esterna di 10°C.
Raggiunta questa temperatura infatti non è più possibile sfruttare alcun contributo gratuito ed è pertanto richiesto il funzionamento del compressore a pieno carico.
Compatibilmente con l’andamento della potenza frigorifera gratuita si ricostruisce l’andamento relativo al funzionamento del compressore:
Figura 8,4: Andamento della potenza fornita della macchina ai carichi parziali in modalità Free Cooling
Tali andamenti specchiano appunto quelli del Free Cooling precedentemente riportati. Si nota dunque che rilevando una temperatura esterna pari a 1°C, la macchina lavora al 25% del carico e così via fino alla temperatura esterna di 10°C, alla quale corrisponde il funzionamento della macchina a pieno carico.
I valori dell’EER in condizioni operative diverse da quelle riportate da catalogo sono state trovate applicando degli opportuni fattori correttivi suggeriti dal CTI (Comitato Termotecnico Italiano) per le diverse configurazioni impiantistiche. Tale ente fornisce una serie di prospetti finalizzati alla valutazione delle condizioni di funzionamento della macchina frigorifera diverse da quelle di riferimento o anche per tener conto di una diversa temperatura dell’aria esterna nel caso di macchine raffreddate ad aria, ecc.
Figura 8,5: Fattori correttivi previsti dal CTI in condizioni di funzionamento diverse da quelle da catalogo per tecnologia aria-acqua
In condizioni di pieno carico si ha:
TEMPERATURA ESTERNA (°C) EER POTENZA ASSORBITA (kW)
10 6,56 159,45 15 5,76 181,66 20 4,96 210,74 25 4,24 246,99 30 3,62 288,63 35 3,01 351 40 2,59 403,14 45 2,24 467,71 65
Figura 8,6: Andamento EER al variare della Temperatura esterna a pieno carico
Considerando inoltre il funzionamento in modalità Free Cooling e le percentuali rispetto al carico totale a cui lavora la macchina quando le temperature esterne sono inferiori a 10 °C si ha:
TEMPERATURA ESTERNA (°C)
EER POTENZA ASSORBITA
(kW) FATTORE DI CARICO (%) 1 5,04 51,88 25 4 5,96 87,75 50 7 6,35 123,54 75
Si tenga presente che la valutazione dei valori di EER ai carichi parziali sono state fatte moltiplicando il valore di EER a pieno carico (𝐸𝐸𝑅100%) per un fattore di riduzione del carico
𝑓 = 𝐶𝑅
(𝐶𝐶 ∗ 𝐶𝑅) + 1 − 𝐶𝐶 Dove:
- CR= percentuale di funzionamento della macchina;
- Cc = fattore di correzione dichiarato dal costruttore. In mancanza di tale dato si assume uguale a 0,9. Pertanto si è ottenuto: 𝐸𝐸𝑅𝑐𝑟% = 𝑓 ∗ 𝐸𝐸𝑅100% 66 0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 10 15 20 25 30 35 40 45 EER Temperatura Esterna (°C) EER,T
Si riporta di seguito l’andamento complessivo dell’EER nelle varie modalità di funzionamento della macchina e i relativi consumi.
Figura 8,7: Andamento dell’EER al variare della Temperatura Esterna in tutte le condizioni di carico
Figura 8,8: Andamento della Potenza Assorbita in funzione della Temperatura Esterna in tutte le condizioni di carico
67 0 1 2 3 4 5 6 7 1 4 7 10 15 20 25 30 35 40 45 EER Temperatura Esterna (°C) EER,T 0.00 50.00 100.00 150.00 200.00 250.00 300.00 350.00 400.00 450.00 500.00 1 4 7 10 15 20 25 30 35 40 45 kW A sso rb iti Temperatura Esterna (°C) kWass,T
A questo punto, noto il generico andamento dell’efficienza energetica del Chiller e dei relativi consumi si valuta l’applicazione della macchina scelta al fronte delle temperature rilevate. Inoltre moltiplicando i kW assorbiti in funzione della temperatura esterna per le ore in cui tali temperature si verificano, si può determinare l’andamento dei kWh consumati nel corso dell’anno.
Figura 8,9: Istogramma per rilevare in numero delle ore in cui la macchina lavora con un certo EER in base alle Temperature Esterne rilevate
Figura 8,10: Andamento dei kWh Assorbiti in base alle Temperatura Esterne rilevate
68 0 100 200 300 400 500 600 700 5.04 5.65 6.09 6.35 6.49 6.40 6.08 5.76 5.44 5.12 4.82 4.53 4.24 3.99 3.74 Or e di f un zi onam en to EER EER, h 0.00 20000.00 40000.00 60000.00 80000.00 100000.00 120000.00 140000.00 160000.00 180000.00 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 kW h a sso rb iti Temperatura Esterna (°C) kWh,T
Ricordando il funzionamento continuativo del Chiller adottato e noto l’andamento annuale dei consumi, raccolti nel seguente foglio di calcolo, è possibile risalire ai consumi annui di energia elettrica per la sola climatizzazione.
Figura 8,11: Foglio di calcolo utilizzato per il calcolo dell’energia elettrica necessaria alla climatizzazione del Data Center
Dalla somma dei kWh assorbiti nella diverse condizioni di funzionamento si riscontra dunque un totale annuo di circa 1615 MWh elettrici.
8.4- Soluzione di Gestione
Scelto un impianto di climatizzazione bisogna a questo punto valutarne le modalità di funzionamento in base allo sfruttamento della massima efficienza dei singoli impianti proposti prestando particolare attenzione al problema della deriva termica del terreno. In modo particolare per evitare troppo frequenti on-off della macchina con una commutazione giornaliera da una sorgente all’altra, si è pensato di valutare un funzionamento di carattere stagionale delle due sorgenti.
In modo particolare è stato riscontrato che il Chiller ad aria presenta performance decisamente migliori durante i periodi freddi e un decadimento nei periodi più caldi. Con la pompa di calore geotermica, come visto, si può essere indifferenti alla variabilità delle temperature ambiente. Si è pensato quindi di sfruttare la sorgente terreno con EER maggiori e praticamente costanti nel periodo estivo, in modo da far fronte anche all’abbassamento delle performance della corrispondente soluzione ad aria. Pertanto la soluzione proposta prevede un funzionamento continuativo del Chiller nei mesi invernali (da Gennaio ad Aprile, da Ottobre a Dicembre) e un funzionamento continuativo della pompa di calore geotermica nei 5 mesi estivi (da Maggio a Settembre) in cui si riscontrerebbero temperature esterne maggiori rispetto ai 18 – 20 °C che si intende mantenere con continuità all’interno del Data Center.
Analogamente a quanto fatto per la pompa di calore ad aria, si sceglie da catalogo una tipologia di pompa di calore geotermica.
Figura 8,12: Unità pompa di calore geotermica scelta
Al fine di asportare 1MW di potenza termica dalla sala CED, si scelgono 5 unità da 250 kW ciascuna. Dalla scheda tecnica fornita dal costruttore si ha:
POTENZA FRIGORIFERA (kW) 250
EER (EN 14511:2013) 4,79
I dati, riportati da catalogo sono riferiti a:
- Salti termici sugli scambiatori pari a ∆𝑇𝑐=5°C;
- Temperatura di mandata dell’acqua al circuito interno pari a 7°C;
- Temperatura dell’acqua di ritorno dal terreno e in ingresso al condensatore pari a 𝑇𝑐,𝑖𝑛= 30 °C;
- Temperatura del terreno indisturbato.
Per la valutazione dell’EER in condizioni operative diverse da quelle di riferimento , sono stati adottati anche in questo caso i fattori correttivi suggeriti dal Comitato Termotecnico Italiano.
Figura 8,13: Fattori correttivi previsti dal CTI in condizioni di funzionamento diverse da quelle da catalogo per tecnologia acqua-acqua
Alle condizioni iniziali in cui il terreno risulta essere indisturbato si considera una temperatura di ingresso al condensatore 𝑇𝑐,𝑖𝑛=22 °C con un salto di temperatura pari a 5°C tra ingresso e
uscita. Moltiplicando per il corrispondente fattore correttivo l’EER riportato da catalogo, si ottiene un EER pari a 5,62 alla condizioni iniziali.
Come precedentemente valutato, la somministrazione di calore verso il terreno durante il funzionamento dell’impianto di climatizzazione, comporta un aumento di temperatura di entità maggiore o minore in virtù dell’arco di tempo che si considera e risulta pertanto impensabile di poter lavorare solo ed esclusivamente sfruttando il terreno come unica sorgente.
Poiché la distanza tra le sonde generalmente varia tra i 7 e i 10 m, come temperatura di riferimento del terreno è stata assunta quella percepibile a 3,5 m di distanza dalla sonda stessa. Considerando dunque una distanza dalla singola sonda pari a 3,5 m, un periodo di funzionamento pari a 3672 ore (da Maggio a Settembre) ed il solito flusso specifico di 40 W/m verso il terreno, tramite il modello ILS precedentemente sviluppato è stato riscontrato un aumento di temperatura del terreno di circa 1,5 °C.
A tale innalzamento di temperatura del terreno, corrisponderà un abbassamento dell’ EER stimato in base ai dati del CTI (vedi fig. 8,13) dell’11% .
Il surriscaldamento ottenuto comporta una diminuzione del ∆𝑇𝑐 al condensatore e quindi, se si
intende scambiare la stessa potenza termica sarà necessario un maggior assorbimento di potenza elettrica da parte del compressore. Infatti per ottenere il medesimo effetto utile è necessario in questo modo portare il fluido refrigerante a temperature più alte ed è per questo necessaria una maggiore compressione.
In definitiva quindi, nei mesi scelti per il suo funzionamento, la pompa di calore geotermica lavorerà con un EER medio di 5,3. Tuttavia per la logica di gestione sviluppata, considerando anche quelli che erano i precedenti tempi di ritorno della temperatura del terreno, non dovrebbe esserci alcun problema relativo alla deriva termica della sorgente. Dai calcoli effettuati, mantenendo spento l’impianto per 6 mesi si garantisce infatti la rigenerazione totale del terreno e si riesce ad ottenere il medesimo salto di temperatura in seguito al successivo funzionamento. Dunque, poichè la pompa di calore geotermica funzionerà esclusivamente in configurazione estiva, avrà a disposizione un anno intero per rigenerarsi.
8,5-Analisi dei consumi complessivi
Scelta la modalità di funzionamento dei due impianti, si analizzano a questo punto i consumi di energia elettrica complessivi. Precedentemente era stato rilevato un consumo annuo per climatizzazione mediante Chiller di 1615MWh. Considerando che secondo il nuovo assetto, il funzionamento del Chiller verrà interrotto a fine Aprile, ovvero quando iniziano a registrarsi temperature esterne intorno ai 18 °C, i consumi relativi alla climatizzazione del Data Center facendo ricorso alla medesima tecnologia si ridurranno a 795 MWh annui. Se si considera dunque un funzionamento pentamestrale della pompa di calore geotermica con un EER medio pari a 5,3, si registrerà dunque un consumo di 690 MWh. In particolare, in configurazione estiva, si può vedere come l’utilizzo del Chiller comporterebbe una spesa di 820 MWh, che con l’adozione della pompa di calore geotermica si riducono a 690 MWh. E’ stato in questo modo ottenuto una riduzione dei consumi estivi per la climatizzazione pari a circa il 16%.
Indicando con “Configurazione 1” la situazione in cui la climatizzazione è affidata al solo Chiller e con “Configurazione 2” la situazione di funzionamento misto delle due tecnologie esaminate, si può riassumere nella seguente tabella la ripartizione dei consumi previsti.
Consumi Chiller (MWh) Consumi GSHP (MWh) Consumi Estivi (MWh) Totale Consumi (MWh) Configurazione 1 1615 0 820 1615 Configurazione 2 795 690 690 1485
In particolare si può dire che volendo asportare 1 MW di potenza termica in modo continuativo durante in corso dell’anno, ovvero 8760 MWh termici, la configurazione mista consente di lavorare con un EER di climatizzazione complessivo di 6. Con l’utilizzo della sola soluzione ad aria si lavorerebbe invece con un EER complessivo di 5,4.