CO₂ transcritica e alte temperature: le scelte progettuali che migliorano l’efficienza

La diffusione della CO₂ (R744) nella refrigerazione commerciale ha progressivamente superato uno dei limiti che per anni ne aveva condizionato l’utilizzo: la difficoltà di mantenere elevate prestazioni quando la temperatura esterna aumenta.

Il punto critico della CO₂, intorno ai 31 °C, rende infatti particolarmente importante la gestione del rigetto del calore. Sopra questa soglia il refrigerante opera in condizioni transcritiche e il comportamento dell’impianto cambia sensibilmente rispetto a quello di un sistema frigorifero tradizionale.

Le esperienze maturate negli ultimi anni mostrano però che le alte temperature non rappresentano necessariamente un ostacolo. Il risultato dipende soprattutto da come vengono dimensionati gas cooler, compressori, ventilatori e controlli e dalla capacità del sistema di adattarsi alle condizioni reali di funzionamento.

Il gas cooler deve essere dimensionato sulle condizioni più gravose

Uno dei primi elementi da considerare è il gas cooler, che nei sistemi transcritici sostituisce il tradizionale condensatore durante il funzionamento sopra il punto critico.

La progettazione non dovrebbe basarsi soltanto sulla temperatura media annuale del sito, ma considerare le condizioni ambientali di picco nelle quali l’impianto dovrà continuare a garantire la capacità frigorifera richiesta.

Quando la temperatura dell’aria aumenta, infatti, diventa più difficile dissipare il calore e cresce la pressione necessaria sul lato alta.

Il corretto dimensionamento del gas cooler deve quindi essere accompagnato da una gestione efficace della portata d’aria e della differenza di temperatura tra la CO₂ in uscita dallo scambiatore e l’aria esterna.

Tra gli strumenti più utili rientrano i ventilatori a velocità variabile, che permettono di adattare il funzionamento alle condizioni effettive invece di mantenere una regolazione costante.

L’obiettivo non è semplicemente aumentare le dimensioni dello scambiatore, ma progettare un sistema capace di mantenere prestazioni adeguate proprio quando il carico termico è più elevato.

Compressione parallela per gestire meglio il flash gas

Un’altra soluzione importante è la compressione parallela.

Nei sistemi transcritici una parte del refrigerante presente nel ricevitore può trasformarsi in flash gas. In una configurazione tradizionale questo gas viene riportato verso il lato di bassa pressione, aumentando il lavoro richiesto ai compressori principali.

Con la compressione parallela, invece, il flash gas viene aspirato direttamente a una pressione intermedia attraverso compressori dedicati.

Questo consente di:

• ridurre il carico sui compressori principali;
• limitare parte delle perdite energetiche;
• migliorare il funzionamento nelle condizioni più gravose;
• aumentare l’efficienza complessiva del sistema.

Il vantaggio diventa particolarmente interessante quando cresce la temperatura esterna, perché proprio in queste condizioni aumenta la quantità di flash gas e il sistema transcritico viene maggiormente sollecitato.

La compressione parallela diventa quindi uno degli strumenti disponibili per adattare l’architettura della CO₂ alle alte temperature, anziché considerare il clima caldo come un limite intrinseco del refrigerante.

Alte pressioni: la selezione dei componenti è determinante

La refrigerazione a CO₂ richiede anche particolare attenzione alle pressioni operative.

Sul lato alta, i componenti possono essere progettati per pressioni dell’ordine dei 130 bar e, durante il funzionamento transcritico, le pressioni possono risultare diverse volte superiori rispetto a quelle tipiche di sistemi tradizionali a HFC.

Questo rende particolarmente importante la corretta selezione di:

• valvole;
• tubazioni;
• raccordi;
• scambiatori;
• dispositivi di regolazione;
• componenti installati sul lato di alta pressione.

La progettazione deve quindi partire dalle condizioni che il sistema incontrerà realmente durante la propria vita operativa.

Anche installazione e service richiedono competenze specifiche. Utilizzare componenti adeguati non è sufficiente se tubazioni, regolazione o commissioning non vengono eseguiti correttamente.

Nei sistemi R744, progettazione, componentistica e qualità dell’installazione sono strettamente collegate.

Pre-raffreddamento adiabatico nelle condizioni più difficili

Nelle aree particolarmente calde può essere valutato anche il pre-raffreddamento adiabatico dell’aria destinata al gas cooler.

Il principio consiste nel raffreddare l’aria in ingresso attraverso l’evaporazione dell’acqua prima che raggiunga lo scambiatore.

Riducendo la temperatura dell’aria, il gas cooler può lavorare in condizioni più favorevoli, contribuendo a migliorare le prestazioni dell’impianto durante i periodi più caldi.

La soluzione presenta però un compromesso evidente: migliorare l’efficienza energetica richiede consumo di acqua.

La scelta deve quindi essere valutata caso per caso considerando:

• temperatura esterna;
• umidità;
• disponibilità di acqua;
• numero di ore annuali di utilizzo;
• risparmio energetico ottenibile;
• esigenze di manutenzione.

Il sistema adiabatico non rappresenta quindi una soluzione automatica per ogni impianto a CO₂, ma uno degli strumenti progettuali disponibili quando le condizioni climatiche lo rendono conveniente.

Efficienza della CO₂: conta l’intero sistema

Le alte temperature sono soltanto una delle variabili da considerare.

La migliore configurazione dipende anche da profilo del carico frigorifero, costo dell’energia, disponibilità di acqua, capacità del personale di gestire il sistema, possibilità di recuperare calore e requisiti di continuità operativa.

Anche il recupero termico può contribuire a migliorare il bilancio complessivo dell’impianto, utilizzando parte del calore normalmente dissipato per altre utenze.

Una configurazione progettata per condizioni esterne di picco intorno a 38 °C, con compressione parallela, ventilatori modulanti e recupero termico, ha registrato un COP circa 34% superiore rispetto a un sistema comparabile a R404A.

Il dato non significa che lo stesso risultato possa essere replicato automaticamente in qualsiasi installazione. Mostra però quanto le prestazioni della CO₂ dipendano dall’architettura complessiva e dalle condizioni per cui il sistema viene progettato.

Il concetto di un limite geografico oltre il quale la CO₂ transcritica non sarebbe conveniente sta quindi perdendo progressivamente significato.

La questione progettuale diventa un’altra: analizzare le condizioni reali del sito e scegliere gas cooler, compressione, regolazione e strategie di rigetto del calore più adatte.