Recupero di calore nei sistemi a CO₂: la refrigerazione diventa un hub energetico

Nei sistemi di refrigerazione commerciale a CO₂ (R744), il calore prodotto durante il ciclo frigorifero non deve necessariamente essere disperso all’esterno. Sempre più impianti vengono progettati per recuperarlo e utilizzarlo per riscaldamento degli ambienti, produzione di acqua calda, deumidificazione e altre utenze termiche.

Il recupero di calore non è una novità assoluta nella refrigerazione, ma le caratteristiche della CO₂ aprono possibilità particolarmente interessanti. Le elevate temperature di scarico disponibili in determinate condizioni permettono infatti di ottenere energia termica a temperature compatibili con numerosi servizi dell’edificio.

Per supermercati, centri commerciali e altre strutture caratterizzate da una domanda frigorifera continua, il rack CO₂ può quindi evolvere da semplice centrale frigorifera a sistema energetico integrato capace di produrre contemporaneamente freddo e calore.

Perché la CO₂ è interessante per il recupero termico

Ogni impianto frigorifero trasferisce calore dalle utenze refrigerate verso l’esterno. A questa energia si aggiunge il lavoro fornito dai compressori.

Normalmente il calore viene espulso attraverso condensatori o gas cooler. Con il heat reclaim, invece, una parte viene intercettata prima della dissipazione e trasferita a un’altra utenza.

La CO₂ presenta un vantaggio importante: può raggiungere temperature di scarico relativamente elevate, rendendo disponibile calore di qualità utile per applicazioni che con altri sistemi possono risultare più difficili da alimentare.

Nei rack booster centralizzati possono essere presenti livelli termici differenti. Indicativamente:

• i circuiti a bassa temperatura possono offrire calore nell’ordine di circa 54-66 °C;
• i circuiti a media temperatura possono raggiungere temperature di scarico significativamente superiori;
• attraverso opportuni scambiatori, alcuni sistemi possono produrre acqua a temperature nell’ordine di 60-88 °C, a seconda delle condizioni operative.

Il valore reale dipende naturalmente dalla configurazione dell’impianto, dal carico frigorifero e dalle pressioni di esercizio.

Dal riscaldamento del punto vendita all’acqua calda

Il calore recuperato può essere utilizzato in diversi punti dell’edificio.

Una delle applicazioni più immediate è il riscaldamento degli ambienti. Attraverso uno scambiatore, il calore del circuito frigorifero può essere trasferito direttamente all’aria trattata dall’impianto HVAC oppure a un circuito idronico.

Tra le possibili applicazioni rientrano:

• riscaldamento degli spazi;
• preriscaldamento dell’acqua sanitaria;
• produzione di acqua calda;
• deumidificazione;
• riscaldamento di circuiti a glicole;
• protezione dal gelo delle pavimentazioni delle celle;
• alimentazione o supporto ad altri sistemi termici.

Particolarmente interessante è il preriscaldamento dell’acqua. L’energia recuperata durante le ore di maggiore attività frigorifera può essere trasferita a un accumulo termico e utilizzata successivamente quando aumenta la richiesta.

In questo modo refrigerazione e accumulo termico possono contribuire anche a spostare parte dei consumi energetici nel tempo.

Recupero diretto o circuito idronico: diverse configurazioni possibili

Non esiste una sola architettura per recuperare il calore da un impianto CO₂.

Una soluzione consiste nel trasferire direttamente il calore del gas di scarico a una batteria installata nell’unità di trattamento dell’aria, utilizzandolo per riscaldare l’aria destinata agli ambienti.

Un’altra possibilità utilizza uno scambiatore CO₂-acqua o CO₂-glicole. Il circuito secondario può quindi distribuire il calore verso una o più utenze dell’edificio.

Questa configurazione offre maggiore flessibilità perché permette di collegare diverse applicazioni alla stessa sorgente termica.

Un sistema può quindi comprendere:

• rack frigorifero CO₂;
• scambiatori per il recupero;
• accumulo di acqua calda;
• circuito idronico;
• unità HVAC;
• sistemi di supervisione;
• eventuali pompe di calore supplementari.

La progettazione diventa quindi sempre più simile a quella di una centrale energetica integrata, nella quale produzione frigorifera e fabbisogni termici vengono analizzati insieme.

Pompe di calore e CO₂ possono lavorare insieme

Un’evoluzione particolarmente interessante consiste nell’abbinare il recupero termico della refrigerazione con le pompe di calore.

Il calore recuperato può diventare una sorgente termica favorevole per una pompa di calore, oppure essere utilizzato direttamente quando la temperatura disponibile è già sufficiente.

Questa configurazione consente di ridurre il ricorso a resistenze elettriche o generatori alimentati da combustibili fossili.

Le soluzioni possono comprendere pompe di calore:

• aria-acqua;
• acqua-acqua;
• integrate con accumuli termici;
• collegate ad altre sorgenti disponibili nell’edificio.

Il vantaggio potenziale è particolarmente rilevante nelle strutture che hanno contemporaneamente una domanda di refrigerazione e una domanda di calore.

Supermercati e ipermercati rappresentano un esempio evidente: banchi frigoriferi e celle funzionano durante tutto l’anno, mentre l’edificio può richiedere riscaldamento, deumidificazione e acqua calda.

Quanto può incidere sui consumi?

Il beneficio dipende fortemente dal clima, dalla dimensione dell’edificio e dalla contemporaneità tra produzione frigorifera e richiesta termica.

In una simulazione condotta su differenti configurazioni di supermercati e ipermercati, l’integrazione tra refrigerazione R744, recupero diretto del calore e pompe di calore ha mostrato, nella configurazione più favorevole analizzata, una riduzione di circa il 53% dell’energia destinata al riscaldamento degli ambienti e del 35% dell’energia complessiva rispetto a una soluzione di riferimento con refrigerazione tradizionale e riscaldamento a gas.

Non si tratta di valori automaticamente replicabili in qualsiasi installazione. Mostrano però quanto il recupero termico possa modificare il bilancio energetico quando refrigerazione e HVAC vengono progettati come un unico sistema.

Il parametro importante non diventa quindi soltanto il COP frigorifero, ma la quantità di energia complessivamente valorizzata dall’edificio.

Il recupero non deve penalizzare la refrigerazione

C’è però una priorità che non cambia: il sistema deve continuare a garantire la corretta conservazione dei prodotti.

Aumentare artificialmente la pressione di condensazione o la pressione lato alta può consentire di ottenere calore a temperatura maggiore, ma può anche aumentare il lavoro dei compressori.

La strategia deve quindi trovare un equilibrio tra quantità e qualità del calore recuperato ed efficienza frigorifera.

Diventano fondamentali controlli capaci di modulare:

• pressioni;
• valvole;
• compressori;
• ventilatori;
• pompe;
• temperature dei circuiti secondari.

Il sistema di supervisione deve assegnare sempre la priorità alla refrigerazione, attivando il recupero termico entro condizioni operative compatibili con affidabilità ed efficienza.

Dalla centrale frigorifera al sistema energetico dell’edificio

La crescita del recupero di calore mostra come stia cambiando il ruolo della refrigerazione commerciale.

Un rack CO₂ non deve più essere considerato necessariamente come un sistema che produce freddo e disperde calore, ma come una macchina capace di trasferire energia all’interno dell’edificio.

Se progettato correttamente, lo stesso impianto può raffreddare banchi e celle, contribuire al riscaldamento degli ambienti e produrre acqua calda.

È una prospettiva particolarmente interessante nel percorso di decarbonizzazione della grande distribuzione: il basso GWP dell’R744 interviene sulle emissioni legate al refrigerante, mentre il recupero termico può ridurre i consumi energetici associati agli altri servizi dell’edificio.

La vera evoluzione diventa quindi l’integrazione: refrigerazione, HVAC, produzione di acqua calda, accumulo e controllo energetico vengono progettati sempre più come parti dello stesso sistema.