Chiller con tecnologia Free Cooling: cos’è e come funziona

Performance, performance e ancora performance. O forse no? In molti casi, la richiesta delle aziende meccaniche e dei loro responsabili operations è, certamente, di smaltire con efficienza il calore dei fluidi di processo, raggiungendo in alcuni momenti anche la temperatura ambiente. Ma è anche fondamentale non eccedere con l’utilizzo di energia qualora, in determinati periodi del giorno o dell’anno (e per ragioni di processo), questo non sia necessario. I chiller con tecnologia free cooling rispondono esattamente a questa loro richiesta.

Parliamo di una refrigerazione industriale “intelligente”, in grado di utilizzare esattamente le risorse necessarie in un dato momento: ciò che permette di concorrere alla sostenibilità di un’azienda, sia in termini economici sia ambientali.

Ma innanzitutto, cosa significa e qual è la definizione di “free cooling”? E come funziona un chiller di raffreddamento dotato di tecnologia free cooling? Vediamolo insieme.

1. Intro: il free cooling

Cosa si intende per free cooling? E cosa significa il termine?

Il free cooling, oppure “raffreddamento gratuito”, sfrutta l’aria esterna fredda per raffreddare fluidi di processo all’interno di un impianto industriale o edifici civili (settore HVAC). In altre parole, la modalità free cooling si avvale di una fonte di raffreddamento naturale e gratuita quale l’aria ambiente, abbattendo i consumi generali del sistema e, di conseguenza, i costi in bolletta: l’acqua non è infatti prevista come risorsa di raffreddamento. E infatti, il primo e più evidente vantaggio del free cooling è il non dover utilizzare tale risorsa: un fattore non da poco, ad esempio, in località e climi fortemente aridi.

Quindi, dove può essere utilizzato il free cooling?

Per rispondere a questa domanda, dobbiamo fare attenzione ad un aspetto terminologico. Infatti, il “raffreddamento gratuito”, o sarebbe meglio dire “raffreddamento a basso costo” (dato che dobbiamo considerare l’apporto della risorsa energia per il funzionamento della macchina), può essere applicato in due ambiti alquanto eterogenei: ossia nella climatizzazione degli ambienti e nel raffreddamento di fluidi di processo.

Naturalmente, a noi adesso interessa quest’ultimo aspetto. In questo ambito, “free cooler” può essere utilizzato come sinonimo di “dry cooler” o “air cooler” (o ancora, “sistema con dry cooler”): è questo, infatti, il sistema che utilizza unicamente l’aria come mezzo di raffreddamento dei fluidi. Ciò che ci consente di porre l’accento su un ulteriore vantaggio dei sistemi di free cooling: la semplicità strutturale. Questo si traduce in una minora usura dei componenti interni e una riduzione della manutenzione ordinaria necessaria. Quindi maggiore affidabilità e, in molti casi, allungamento della vita utile.

Tornando alla domanda sull’utilizzo del free cooling (in ambito raffreddamento fluidi), se l’impianto industriale o civile da raffreddare deve fare i conti con una significativa scarsità d’acqua, allora il free cooling potrebbe essere la risposta giusta.

Tutto questo, a parità di altri fattori: naturalmente, come per ogni sistema di raffreddamento e refrigerazione industriale, i vantaggi sono relativi alle specifiche esigenze di progetto. Infatti, in alcuni contesti può essere utile fare leva su quantità (moderate) di acqua per aumentare le performance pur con un ulteriore utilizzo di energia. In altri casi, le performance richieste rendono necessario l’utilizzo di chiller industriali – magari alternabili con una modalità in free cooling.

Ma andiamo con ordine.

2. Chiller con free cooling: modalità di funzionamento e vantaggi

Non solo dry cooler: il free cooling può essere non solo una soluzione, per così dire, “stand-alone” ma anche una delle modalità di funzionamento dei chiller industriali. E allora qual è lo scopo di un chiller con tecnologia free cooling e come funziona?

Abbiamo visto come un chiller a compressione industriale sia una macchina complessa, fornita di numerosi componenti: sia relativi al circuito frigorifero, sia come parti costituenti ausiliarie. Qui basterà dire che questa “complessità strutturale” ha lo scopo di portare i fluidi di processo a temperature anche al di sotto di quella di bulbo umido dell’aria circostante (compito impossibile ad altre macchine): alte performance, ma con un considerevole utilizzo di energia.

Ora, non sempre (durante il giorno o durante l’anno) è necessario fare leva su queste performance e questo utilizzo di energia.

È qui che entrano in campo i chiller con free cooling: grazie al loro “computer di bordo”, opportunamente parametrizzati, questi sistemi adottano un approccio intelligente, adattandosi automaticamente alle condizioni climatiche esterne. I chiller di questa tipologia integrano infatti le diverse modalità operative tipiche delle rispettive soluzioni “standard”, garantendo un funzionamento ottimale in ogni stagione.

Concretamente, in che modo questo avviene? Per rendere chiara la cosa, vediamo le tre modalità con cui funzionano i chiller con tecnologia free cooling.

• Modalità “estiva”: quando le temperature esterne superano una certa soglia (ad esempio i 23°C circa), il chiller opera in maniera tradizionale, utilizzando i compressori per raggiungere la temperatura di mandata desiderata. In questa fase l’eventuale risparmio di energia, che certo i refrigeratori industriali moderni sono in grado di assicurare, risiede nella qualità delle sue componenti di serie e nella perizia costruttiva del produttore.
• Modalità “invernale”: nei mesi freddi, ad esempio con temperature esterne inferiori ai 5°C circa, il chiller può funzionare esclusivamente in modalità free cooling, sfruttando al massimo l’aria fredda esterna. I compressori rimangono completamente spenti, con un conseguente risparmio energetico ancora più significativo.
• Stagione “intermedia”: durante periodi con temperature esterne moderate, il sistema combina entrambe le modalità. Nelle ore notturne e mattutine, quando le temperature sono più basse, il chiller sfrutta il free cooling. Invece durante il giorno, con l’aumento delle temperature esterne, il sistema passa alla modalità tradizionale.

È chiaro quindi come il principio di funzionamento possa essere riassunto in questi punti.

• Priorità al free cooling: il sistema dà priorità al free cooling quando le condizioni esterne sono favorevoli (temperatura dell’aria sufficientemente bassa). L’aria esterna viene immessa direttamente nello scambiatore di calore per raffreddare il fluido di processo.
• Attivazione di sistemi alternativi: se la temperatura esterna non è sufficientemente fredda per il free cooling efficace, il sistema attiva automaticamente i compressori frigoriferi per garantire il raffreddamento richiesto.
• Integrazione intelligente: il sistema gestisce la transizione tra free cooling e sistemi alternativi in modo intelligente, ottimizzando il consumo energetico e minimizzando l’utilizzo dei compressori, attraverso il computer di bordo (opportunamente parametrizzato).

Per ottimizzare il funzionamento del sistema free cooling, è importante installare il chiller in un’area ben ventilata e protetta dalle intemperie. Inoltre, è fondamentale monitorare costantemente le condizioni climatiche esterne e regolare le impostazioni del chiller di conseguenza.

L’adozione di chiller con tecnologia free cooling offre una serie di vantaggi tangibili.

• Risparmio energetico significativo: Il free cooling permette di ridurre notevolmente l’utilizzo di energia, con un risparmio che può arrivare fino al 90%. Questo significa tagliare di molto la bolletta: un vantaggio non da poco, con aziende piccole e grandi spesso in “spending review”.
• Riduzione dell’impatto ambientale: minore consumo energetico significa minori emissioni di CO₂ e gas serra. I chiller con free cooling contribuiscono quindi alla lotta alla promozione di una produzione più sostenibile.
• Maggiore affidabilità e durata: il minor utilizzo dei compressori riduce l’usura dei componenti meccanici del chiller. Ciò aumenta la sua affidabilità nel tempo, allunga la vita utile e riduce i costi di manutenzione.

3. Quando occorre un chiller con free cooling e sue applicazioni

Concludiamo con le applicazioni di chiller con tecnologia free cooling. L’eventuale scelta di un refrigeratore industriale di questa tipologia dipende da diversi fattori. Eccone alcuni.

• Potenza frigorifera richiesta: la capacità di raffreddamento del chiller deve essere adeguata alle specifiche esigenze del processo industriale.
• Temperature desiderate in output: si tratta di un altro parametro fondamentale per dimensionare il sistema, considerando anche i momenti di massima e di minima durante l’anno.
• Disponibilità di spazio: parametro non ininfluente in aziende con spazi disponibili non elevati.
• Condizioni climatiche: la scelta del chiller deve tenere conto dell’aria installativa. Esistono infatti specifiche tecniche apposite per ambienti più o meno aridi (e per un utilizzo della sola aria o anche dell’acqua per il raffreddamento meccanico). In ogni caso, i chiller con free cooling sono un valido alleato.

Tendenzialmente, ogni industria metalmeccanica con necessità di smaltimento del calore nei fluidi di processo. Questo è a maggior ragione vero per chiller con free cooling, per un risparmio di energia monitorabile. È chiaro che l’utilizzo di queste due modalità combinate è consigliabile soprattutto in settori e processi molto energivori.

Ecco alcuni esempi.

• Data center: è ormai chiaro a tutti quanto la gestione termica sia critica in questi ambienti. La necessità di smaltimento di calore è infatti significativa e costante nel tempo. I chiller con free cooling permettono, in determinate condizioni, di ridurre l’elevato utilizzo di energia.
• Produzione di energia: in impianti di produzione di energia, come centrali elettriche e impianti di cogenerazione, il “raffreddamento con sola aria” può essere impiegato per smaltire il calore di singoli componenti e fluidi.
• Industrie alimentari: queste necessitano spesso di temperature di processo precise, in determinate fasi di processo o dell’anno, per conservare la qualità dei prodotti. Questa precisione è un ulteriore vantaggio dei chiller con tenologia free cooling, sistemi versatili oltreché sostenibili.
• Altri processi industriali: in diverse industrie, come la produzione di carta, la lavorazione dei metalli e la produzione chimica, il free cooling applicato a un classico chiller industriale può essere utilizzato per raffreddare macchinari e fluidi, ottimizzando i consumi energetici e la sostenibilità.