Recupero del calore: come effettuarlo e quando conviene

Sta prendendo sempre più piede il recupero del calore generato dai compressori: circa il 10% di chi li acquista, infatti, si chiede come recuperare il calore prodotto dalla compressione e poi dissipato.

Ore annue di lavoro dei compressori, potenza elettrica installata, ubicazione del locale compressori, escursione termica: sono questi i principali fattori da considerare per comprendere se è conveniente o meno effettuare un investimento di tale portata. Senza dimenticare che si tratta di una scelta legata anche alla fascia di potenze in gioco.

Il calore che riusciamo a recuperare per effetto della compressione, secondo la tecnica attuale, è circa il 94% rispetto a quello che il sistema assorbe in termini elettrici.

Recuperare l’energia termica dall’impianto ad aria compressa

In sostanza, sono due i vettori termici principali nella compressione: l’aria compressa, che viene raffreddata dalla massa radiante aria/aria (in alcuni casi è utilizzato il raffreddamento ad acqua) dello scambiatore montato sul compressore; e 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 possiede anche una refrigerante, di grande importanza. L’olio, negli elettrocompressori volumetrici rotativi si trova, normalmente, alla temperatura di 80 °C che d’estate arriva a 85/90 °C e d’inverno si abbassa a 70/75 °C; mentre la temperatura dell’aria compressa in uscita è variabile in funzione dell’efficienza della massa radiante del carico di compressione. In questo caso, molto importanti risultano le condizioni di pulizia e di flusso d’aria di raffreddamento.

Nelle macchine volumetriche dotate di inverter, essendovi una continua variazione del carico di lavoro, è diventato più difficile fare un calcolo relativo alla esatta percentuale di recupero di calore, dato il ciclo di lavoro variabile. 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; d’estate, una serranda devia l’aria verso l’esterno (in questa fase non si ha, ovviamente, recupero termico) mentre, 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”. Si tratta di 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.

Attenzione alla prevalenza dei ventilatori

Per il recupero termico da canalizzazione, come nota tecnica, occorre prestare attenzione alla “prevalenza” dei ventilatori: ovvero, i compressori sono dotati di elettroventilatori che hanno, per la maggior parte, una prevalenza minima che si aggira intorno ai 30/40 Pascal; alcuni costruttori utilizzano 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 possiamo, infatti, 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, è necessario calcolare la 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 essere certi che la portata necessaria al raffreddamento sia aspirabile nel locale compressori, senza rischiare di mettere in depressione il locale.

In alcuni casi (quando, cioè, non si hanno flussi d’aria in aspirazione sufficienti), è indispensabile prevedere 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 e nelle condizioni più difficili, anche perché, con l’aumento della temperatura, cambiano la densità dell’aria e il rendimento volumetrico del compressore.

Tutti questi parametri influenzano la resa della macchina e, quindi, il rapporto kWh/m3.

Un sistema semplice ed economico

Questo modo di recuperare il calore è il più semplice ed economicamente vantaggioso, 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 conveniente l’intervento dal punto di vista economico.

Grande 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 recupero dall’olio. Tutti i costruttori di compressori propongono un kit, alloggiato quasi sempre all’interno della carpenteria della macchina e 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, quindi, 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 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 soprattutto, se messo in parallelo con la caldaia, consente di abbattere di molto il consumo di gas metano, se l’impianto è a gas, o di gasolio. 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.

In questo modo il calore, che andrebbe dissipato nell’aria di raffreddamento, viene invece recuperato dall’acqua. Occorre premettere che, nel momento in cui non serve recuperare il calore poiché il 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.

Quali sono i pro e i 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 prevedere 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. È necessario, allora, considerare il costo del kit di recupero di calore, che può andare dai 2.000 ai 5.000 euro per macchine più grosse, oltre al costo dell’idraulico e degli accessori per il collegamento: ipotizzando un investimento attorno ai 10.000 euro, il ritorno 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, infatti, spesso superano i vantaggi economici energetici che si potrebbero ottenere.

Nella valutazione economica di questo sistema di recupero, elemento strategico di decisione è soprattutto la posizione geografica in cui è installato il locale compressori.

Ritorno sull’investimento: come effettuare un calcolo preciso

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

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

Il tipo 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.

In quali applicazioni è utile e vantaggioso il recupero termico?

Queste sono 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.

Le classi di utilizzo dell’acqua riscaldata

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%).

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

Quando il recupero conviene?

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

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

Va poi ricordato 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. Sotto i 5 °C, inoltre, 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 calcoli ad hoc.

La situazione del mercato oggi

Attualmente, il recupero del calore generato dai compressori comincia a prendere piede. Oggi, il 10% di chi acquista compressori è sensibile a questo argomento e prende in considerazione di recuperare il calore dissipato. Naturalmente, dipende dalla fascia di potenze in gioco: sotto ai 20 kW l’incidenza è marginale; dai 22 ai 45 kW si attesta attorno al 3%; oltre i 90 kW, il discorso diventa più appetibile.

Vuoi sapere se per la tua realtà produttiva è conveniente recuperare il calore generato dall’impianto ad aria compressa? In Compressori Veneta siamo specializzati nello studio e nel calcolo preciso del ritorno sull’investimento, accompagnandoti a scegliere la soluzione migliore per soddisfare le tue esigenze.

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