Recupero del calore dall’aria compressa: quanto conviene

Autore: Ing. Gianluca Zanovello

Il recupero del calore generato dai compressori d’aria inizia finalmente a prendere piede: circa il 10% di chi li acquista pensa a recuperare il calore prodotto dalla compressione e poi dissipato. Ore/anno di lavoro dei compressori, potenza elettrica installata, ubicazione del locale compressori, escursione termica locale: questi i fattori da considerare per decidere circa la convenienza o meno di effettuare tale investimento. Una scelta legata, ovviamente, anche alla fascia di potenze in gioco.

Due sono i vettori termici principali nella compressione:

  • l’aria compressa, che viene raffreddata dalla massa radiante aria/aria (in taluni casi è utilizzato il raffreddamento ad acqua) dello scambiatore montato sul compressore;
  • l’olio che, negli elettrocompressori volumetrici rotativi viene iniettato nell’aria durante la compressione per abbassarne la temperatura. Oltre ad avere la funzione lubrificante, l’olio ne ha anche una refrigerante, forse la più importante.

L’olio, negli elettrocompressori volumetrici rotativi, si trova normalmente alla temperatura di 80 °C (d’estate 85/90 °C e d’inverno 70/75 °C) mentre la temperatura dell’aria compressa in uscita è variabile in funzione dell’efficienza della massa radiante (molto importanti sono le condizioni di pulizia e di flusso d’aria di raffreddamento) del carico di compressione. Nelle macchine volumetriche dotate di inverter, essendovi una continua variazione del carico di lavoro, è diventato un po’ più difficile fare un calcolo relativo alla esatta percentuale di recupero di calore, dato il ciclo di lavoro variabile, rispetto a quanto è possibile invece con le macchine on off. Nella sostanza, però, il principio è il medesimo.

Nella pratica comune avremo, quindi, un sistema che trasforma l’energia elettrica rispettivamente in lavoro di compressione e calore.

Va da sé chiedersi se, vista la notevole percentuale di energia che viene dispersa in calore, non sia possibile recuperare questa forma energetica così preziosa.

Recupero del calore dai radiatori “aria” e “olio”

Un primo modo per recuperare il calore di compressione è quello di convogliare l’espulsione dell’aria calda proveniente dai radiatori, che serve a raffreddare l’olio e l’aria compressa, canalizzandola verso ambienti attigui da riscaldare; una serranda devia l’aria, d’estate, verso l’esterno (in questa fase non si ha, ovviamente, recupero termico) e, d’inverno, verso gli ambienti interni adiacenti il locale compressori. Doveroso segnalare che a limitare questo recupero termico interviene una normativa che esclude la presenza costante di personale nei locali in cui si fa convergere l’aria calda, a meno che gli ambienti non siano così grandi da essere considerati “zona di transito”. Un provvedimento a tutela della salute: nel caso si rompesse un radiatore dell’olio, infatti, potrebbero essere respirati vapori da parte degli operatori.

A questo proposito, in alcune province i comandi Provinciali dei Vigili del Fuoco impongono serrande tagliafuoco per isolare il locale tecnico dove sono presenti i compressori, che, peraltro, in caso di incendio, si fermano autonomamente, come pure le ventole, che potrebbero alimentarlo e veicolarlo

Occhio alla “prevalenza”

ALTPer il recupero termico da canalizzazione, come nota tecnica, occorre prestare attenzione alla “prevalenza” dei ventilatori. I compressori infatti sono dotati di elettroventilatori che hanno, per la maggior parte, una prevalenza minima che si aggira intorno ai 30/40 Pascal; alcuni costruttori utilizzano degli elettroventilatori centrifughi con disponibilità di prevalenze più elevate. Questa scelta consente di poter disporre di maggiore lunghezza dei canali e, quindi, migliore veicolazione dell’aria calda. Una buona regola impone dei limiti. Non posso pensare di effettuare canalizzazioni per centinaia di metri. Mediamente, la lunghezza dei canali, considerando un paio di curve a 90 gradi, si aggira sui 4/5 metri; oltre questi valori, bisogna fare il calcolo della prevalenza statica residua per assicurarsi che l’aria calda abbia comunque una certa velocità, altrimenti si corre il rischio di “soffocare” il compressore.

Ribadiamo che vanno sempre considerate la portata e la prevalenza statica disponibile dell’aria di raffreddamento tipica di ogni compressore, che viene denunciata dal costruttore, per non “soffocare” la macchina e per esser certi che quella portata, necessaria al raffreddamento, sia aspirabile nel locale compressori, per non rischiare di mettere in depressione il locale.

In alcuni casi (quando, cioè, non si hanno flussi d’aria in aspirazione sufficienti), è indispensabile prevedere delle aperture dotate di griglie di protezione che assicurino un flusso d’aria tale da far sì che il compressore mantenga un regime termico costante; ovviamente, questa valutazione deve essere condotta con i valori di riferimento estivi e invernali , nelle condizioni più difficili – ovvero in estate e in inverno  – anche perché, con l’aumento della temperatura, cambia la densità dell’aria e cambia il rendimento volumetrico del compressore. Tutti questi parametri influenzano la resa della macchina e, quindi, il rapporto kWh/m3.

Semplice ed economico

Questo metodo di recupero del calore è il più semplice, economico, e quasi ovvio, poiché la mancanza di canali di espulsione dell’aria calda per installazioni all’interno di locali confinati produce il repentino aumento della temperatura ambiente e il conseguente default, primo fra tutti dell’essiccatore frigorifero.

In alcuni casi, si utilizza l’aria calda di espulsione dal locale compressori – altro tipo di intervento – per essiccare o tenere deumidificato del materiale, tipo tabacco o prodotti alimentari, oppure per il preriscaldamento dell’aria di combustione di una caldaia. Il limite a questa soluzione di recupero del calore è che l’ambiente da riscaldare deve essere contiguo alla sala compressori, altrimenti la dissipazione è troppo elevata e non rende economicamente conveniente l’intervento.

Recupero del calore dall’olio

Un altro modo di recuperare il calore, meno diffuso del precedente a causa dei costi complessivi più elevati, è di recuperarlo dall’olio. Tutti i costruttori di compressori propongono un kit, per l’alloggiamento quasi sempre all’interno della carpenteria della macchina, installabile anche in un secondo momento, che consiste in uno scambiatore olio/acqua, con un fascio tubiero o piastre. Non è più l’aria il fluido vettore, ma l’acqua. L’olio caldo (temperature comprese tra 70 e 90 °C) che proviene dalla compressione, in uscita dal separatore, prima di raggiungere il radiatore, viene fatto passare all’interno di uno scambiatore e gestito tramite una valvola termostatica, dove cede calore all’acqua, ovviamente senza entrarne in contatto.

In questo modo, si ottiene un sistema di recupero di una elevata quantità di energia termica, perché questa è direttamente proporzionale alla portata dell’olio moltiplicata per il salto termico dello stesso, tra l’entrata e l’uscita dello scambiatore. Quindi, ipotizzando che l’olio abbia in entrata una temperatura di 90 °C e in uscita di 70 °C, un salto di 20 °C moltiplicato per la portata dell’olio dà come risultato un valore interessante, che giustifica economicamente la soluzione. Questo è il sistema che non solo consente di recuperare il calore per uso sanitario, ma anche (e soprattutto), se messo in parallelo con la caldaia, consente di abbattere di molto il consumo di gas metano, se l’impianto è a gas, di gasolio, se questo è il combustibile. In pratica: fornisce una quantità di calore sensibile con un fluido vettore che è l’acqua, a una temperatura che può essere prossima ai 75 °C, e tutto questo senza inficiare la resa volumetrica del compressore. Questo calore, che andrebbe dissipato nell’aria di raffreddamento, viene invece recuperato dall’acqua. Occorre premettere che, nel momento in cui non ho bisogno di recuperare il calore, perché il mio sistema non richiede acqua calda, il compressore è autonomo, perché ha comunque il suo radiatore e i suoi ventilatori e può, quindi, lavorare senza alcun problema.

Pro e contro

Interessante è valutare quando il sistema conviene. Il limite principale è la distanza tra il compressore e il punto di utilizzo per il costo del piping e dell’idraulico che deve collegarli. Se il locale caldaia o, comunque, la linea di distribuzione dell’acqua calda sono in prossimità del compressore e si devono bilanciaprevedere soltanto un piccolo vaso di espansione, un piccolo serbatoio e una pompa di ricircolo, l’operazione si giustifica ampiamente. Quando, invece, servono tubazioni molto lunghe e da coibentare e ci sono altri costi di impiantistica, il conto va fatto in modo più attento, perché il punto di ritorno dell’investimento si sposta molto più avanti. Devo, allora, considerare il costo del kit di recupero di calore, che può andare dai 2.000 ai 5.000 euro per macchine più grosse, il costo dell’idraulico, degli accessori per il collegamento: ipotizzando un investimento attorno ai 10.000 euro, devo avere un ritorno che non può andare oltre una stagione invernale e mezza. In questo caso, si deve riflettere se vale la pena o meno fare il recupero di calore dall’acqua: i costi di impianto spesso superano i vantaggi economici energetici che si potrebbero ottenere.

Purtroppo, generalmente le aziende sono concepite con il locale compressori localizzato nei punti più infelici, ed è per questo che molte volte non è conveniente il recupero del calore dal fluido acqua. Nella valutazione economica di questo sistema di recupero, elemento strategico di decisione è soprattutto la posizione geografica in cui è installato il locale compressori.

Recupero del calore: come calcolare il ritorno economico

Esistono sistemi che consentono di fare un calcolo preciso dei ritorni economici dei sistemi di recupero del calore. Elementi importanti per il calcolo sono:calcolatore

  • condizioni operative dell’unità;
  • condizioni ambientali;
  • tipologia di impianto;
  • posizione geografica.

La tipologia di servizio dell’impianto assume un ruolo importante poiché, se si tratta di un servizio continuo (normalmente, l’utilizzo del calore prodotto dal locale compressori è a supporto dell’impianto di riscaldamento, che ha una sua maggiore funzionalità durante il giorno), la logica del recupero è valida; se, invece, ha una variabilità molto elevata nell’arco della giornata, la convenienza si riduce in modo sensibile.

Applicazioni interessanti

Queste alcune tra le applicazioni più interessanti in tema di recupero termico a costo quasi zero:

  • recupero di aria calda per impianti di essiccamento;
  • pre riscaldamento dell’aria di combustione;
  • riscaldamento di ambienti attigui al locale compressori;
  • pre riscaldo dell’acqua (mediante recupero del calore dall’olio) per usi sanitari;
  • trattamenti galvanici;
  • mantenimento della temperatura dell’acqua delle piscine;
  • pre riscaldo dell’acqua per la produzione di vapore nelle lavanderie;
  • utilizzo del calore nelle grandi cucine o aziende agro alimentari;
  • pre riscaldo dell’acqua nelle cantine per la pulizia delle bottiglie.

In particolare, è possibile definire delle classi di utilizzo dell’acqua riscaldata (fluido vettore) in cui si possono effettuare calcoli analitici di convenienza e di ritorno dell’investimento. La suddivisione segue indicativamente il seguente schema:

  • acqua riscaldata in uscita dal sistema di recupero con temperatura compresa tra 30 e 50 °C: processi di pre-riscaldo (20 % degli utilizzi);
  • acqua con temperatura compresa tra 40 e 60 °C: processi di riscaldamento dei locali (30% degli utilizzi);
  • acqua con temperatura tra 60 e 80 °C: produzione di vapore e supporto all’impianto di riscaldamento (50%).

Un concetto che va sfatato è che l’acqua calda serva solo d’inverno. Tantissime applicazioni usano l’aria calda tutto l’anno, anche se con periodi di punta.

In sintesi

Riassumendo, per decidere circa la convenienza di effettuare un investimento nel recupero del calore generato dai compressori, vanno fatte le seguenti considerazioni generali:

  1. Ore di lavoro annue dei compressori (normalmente si parte da base 2000 ore annue).
  2. Potenza elettrica installata (normalmente è conveniente dai 30/45 kW in su).
  3. Costo del kWh elettrico (un valore medio è di 0,18 euro).
  4. Tipologia di servizio (normalmente devono esserci fasi di lavoro continue di almeno 6 ore).
  5. Tipologia di recupero del calore (il recupero mediante scambiatore olio-acqua è oggettivamente più performante rispetto al recupero dell’aria calda).
  6. Posizione geografica del locale compressori (vi sono delle tabelle di riferimento per poter verificare le temperature medie ambientali mensilizzate). Una variabile molto importante è oggettivamente la distanza del locale compressori dall’utilizzo. A proposito dell’escursione termica locale, in Sicilia la situazione è, ovviamente, diversa che in Alto Adige, se non per grosse aziende, con grossi impianti che producono calore e altri che lo assorbono.

Va tenuto conto che, in una sala compressori ben progettata, la temperatura non deve differire di oltre 10 °C da quella esterna; in pratica, se all’esterno ci sono 35 °C, all’interno non si devono superare i 45 °C, e così pure d’inverno, ricordando che sotto i 5 °C i compressori vanno in blocco, a protezione della fluidità dell’olio. In ogni caso, se il funzionamento dei compressori è costante, non esistono problemi per la temperatura ambiente.

Superate queste considerazioni in modo positivo, si può cominciare a fare dei conti ad hoc.

Contatta l’autore: redazione@progettoenergiaefficiente.it

EMERGENZA ENERGETICA

Scarica la guida gratis!
Condividi questo articolo