CO₂ transcritica nei climi caldi: come progettare sistemi efficienti

L’utilizzo della CO₂ (R744) nella refrigerazione commerciale non è più limitato ai mercati caratterizzati da temperature moderate. L’evoluzione della progettazione, dei controlli e dei componenti sta rendendo i sistemi transcritici una soluzione praticabile anche in aree dove le temperature esterne possono superare frequentemente i 30 °C.

La questione centrale non è quindi stabilire se la CO₂ possa funzionare nei climi caldi, ma come progettare l’impianto affinché mantenga capacità frigorifera ed efficienza nelle condizioni più gravose.

Gas cooler correttamente dimensionati, ventilatori modulanti, compressione parallela, controllo delle pressioni e, quando opportuno, sistemi adiabatici possono modificare sensibilmente le prestazioni. Per supermercati e altre applicazioni della refrigerazione commerciale diventa così fondamentale progettare l’intero sistema partendo dalle reali condizioni climatiche del sito.

Perché le alte temperature mettono alla prova la CO₂

La CO₂ presenta un punto critico di circa 31 °C. Al di sotto di questa temperatura può condensare in modo simile a un refrigerante convenzionale; quando invece le condizioni operative superano il punto critico, il sistema lavora in regime transcritico.

In queste condizioni il refrigerante non condensa nel tradizionale condensatore, ma cede calore attraverso un gas cooler. Con l’aumento della temperatura esterna cresce quindi l’importanza della gestione del lato alta pressione e della capacità di dissipare correttamente il calore.

È proprio questo aspetto che in passato aveva alimentato il concetto del cosiddetto “CO₂ equator”, secondo il quale al di sopra di determinate temperature ambientali i sistemi transcritici sarebbero risultati poco convenienti.

L’evoluzione tecnologica ha però progressivamente ridimensionato questo limite. Nei progetti moderni, la prestazione dipende sempre meno dalla sola temperatura esterna e sempre più dalla configurazione complessiva dell’impianto.

Per le applicazioni in aree caratterizzate da estati calde, come quelle mediterranee, questo significa prestare particolare attenzione alle condizioni di picco e non soltanto alle temperature medie annuali.

Gas cooler e compressione parallela: progettare sulle condizioni di picco

Uno degli elementi principali è il dimensionamento del gas cooler.

La progettazione deve considerare la temperatura massima alla quale l’impianto sarà realmente chiamato a funzionare. Dimensionare lo scambiatore sulla base di condizioni climatiche troppo favorevoli può infatti ridurre la capacità frigorifera proprio nei momenti in cui il carico dell’impianto è maggiore.

Non significa necessariamente installare componenti più grandi. L’obiettivo è ottenere un sistema progettato in maniera coerente con il clima, lavorando contemporaneamente su scambio termico, portata d’aria e regolazione.

Tra le soluzioni più importanti rientrano:

• gas cooler dimensionato sulle temperature esterne di picco;
• ventilatori a velocità variabile;
• controllo dell’approach temperature tra CO₂ in uscita e aria esterna;
• compressione parallela;
• regolazione evoluta della pressione di alta;
• ridondanza dei componenti nelle applicazioni dove la continuità operativa è prioritaria.

La compressione parallela rappresenta in particolare una delle tecnologie più interessanti per migliorare le prestazioni dei sistemi transcritici. Il flash gas viene gestito a una pressione intermedia attraverso compressori dedicati, riducendo il carico sui compressori principali e limitando parte delle inefficienze che aumentano con le temperature esterne.

Un impianto commerciale progettato per operare con temperature esterne di picco di circa 38 °C, combinando compressione parallela, controllo a velocità variabile e recupero termico, ha mostrato un COP superiore di circa il 34% rispetto a un sistema comparabile a R404A.

Il dato evidenzia come il clima caldo non rappresenti necessariamente un ostacolo all’utilizzo della CO₂, purché l’architettura venga sviluppata specificamente per quelle condizioni operative.

Alte pressioni: componenti e installazione diventano determinanti

I sistemi transcritici richiedono però competenze specifiche anche dal punto di vista della sicurezza e della componentistica.

Sul lato alta pressione, i componenti possono essere progettati per pressioni dell’ordine dei 130 bar. Durante il funzionamento, le pressioni della CO₂ transcritica risultano significativamente superiori a quelle tipiche di sistemi basati su refrigeranti tradizionali.

Valvole, tubazioni, raccordi e componenti devono quindi essere selezionati espressamente per le condizioni operative previste.

Per installatori e manutentori diventano fondamentali:

• corretto dimensionamento delle tubazioni;
• componenti certificati per le pressioni previste;
• corretta gestione delle valvole di alta pressione;
• procedure specifiche di avviamento e manutenzione;
• monitoraggio delle pressioni e delle temperature;
• formazione tecnica sul funzionamento dei sistemi R744.

La prestazione di un sistema CO₂ dipende quindi anche dalla qualità dell’installazione e della regolazione. Un progetto correttamente dimensionato può perdere parte dei propri vantaggi se controlli, componenti o messa in servizio non sono adeguati alle condizioni reali.

Raffrescamento adiabatico: più efficienza, ma attenzione all’acqua

Nelle condizioni climatiche più calde può essere valutato anche il pre-raffreddamento adiabatico dell’aria che attraversa il gas cooler.

Il principio consiste nell’abbassare la temperatura dell’aria in ingresso attraverso l’evaporazione dell’acqua, riducendo così la temperatura contro la quale deve lavorare il sistema frigorifero.

Questo può migliorare le prestazioni nelle giornate più calde, ma introduce un ulteriore parametro da considerare: il consumo idrico.

La scelta deve quindi essere effettuata considerando contemporaneamente:

• temperatura e umidità del sito;
• disponibilità di acqua;
• numero di ore annuali nelle quali il sistema adiabatico sarebbe realmente necessario;
• qualità dell’acqua;
• manutenzione;
• risparmio energetico ottenibile.

Nei climi caldi e secchi il beneficio può essere significativo, mentre in altre condizioni l’utilizzo dell’acqua può rendere preferibili strategie differenti.

Il clima è solo una parte della progettazione

Le temperature esterne rappresentano un parametro fondamentale, ma non possono essere considerate isolatamente.

La scelta della migliore configurazione per un sistema a CO₂ deve comprendere anche profilo del carico frigorifero, costo dell’energia, disponibilità di acqua, competenze locali per la manutenzione, possibilità di recuperare calore e continuità richiesta dall’attività.

Il recupero termico può ad esempio valorizzare ulteriormente l’impianto, utilizzando il calore normalmente dissipato per acqua calda sanitaria o altre utenze del punto vendita.

La progettazione deve quindi spostarsi da una valutazione basata esclusivamente sull’investimento iniziale a una logica di costo e prestazioni lungo l’intero ciclo di vita.

Per la refrigerazione commerciale il messaggio è chiaro: nei climi più caldi la CO₂ richiede un progetto più attento, ma le moderne architetture transcritiche permettono di superare molti dei limiti che in passato ne condizionavano l’utilizzo.

La domanda non è più semplicemente se l’R744 sia adatto alle alte temperature, ma quale configurazione consenta di farlo lavorare in modo efficiente nelle condizioni climatiche reali del sito.