Sistemi di climatizzazione per hotel: tre soluzioni a confronto

I sistemi di climatizzazione per hotel, oltre ad essere installati in strutture già di per se mediamente energivore, rappresentano un’area interessante nell’ambito delle possibili riduzioni di energia. L’aumento dei diversi servizi che sono disponibili negli alberghi (piscine, terme, SPA) e l’opportunità di lavorare a differenti livelli di temperatura può indurre a progettare specificatamente impianti HVAC per queste tipo di applicazioni. In questo articolo presentiamo un’analisi dell’efficienza energetica di una struttura alberghiera, considerando tre località diverse: Bolzano, Venezia e Izmir, rappresentative di climi asciutti e miti, umidi e caldi e secchi. Sfruttando simulazioni dinamiche, lo studio si propone di calcolare le necessità energetiche per il riscaldamento, il raffreddamento e la produzione di acqua calda sanitaria (ACS) all’interno di un contesto alberghiero, dove l’ottimizzazione dei consumi energetici è particolarmente rilevante.

Negli alberghi, la richiesta di servizi aggiuntivi come piscine, terme e SPA è in costante aumento, il che comporta una significativa domanda energetica. Ogni tipologia di servizio richiede livelli di temperatura specifici, creando un’opportunità per la progettazione di sistemi HVAC altamente specializzati. Questi sistemi devono essere in grado di gestire le variabili termiche, garantendo il comfort degli ospiti mentre ottimizzano il consumo energetico.
L’analisi si concentra sull’uso tradizionale di un albergo e sull’opportunità di implementare soluzioni per il recupero dell’energia a differenti livelli. Si propone l’adozione di un sistema combinato formato da pompe di calore e caldaie a condensazione, destinato a generare riscaldamento, raffrescamento ed acqua calda sanitaria (ACS). I sistemi HVAC tradizionali utilizzati in contesti alberghieri generalmente includono caldaie a condensazione per il riscaldamento e la produzione di ACS, insieme a gruppi frigoriferi aria/acqua per garantire un raffreddamento efficiente.
È importante sottolineare la differenza significativa nell’efficienza operativa tra caldaie tradizionali e caldaie a condensazione modulanti, dove quest’ultime offrono migliori prestazioni energetiche in condizioni variabili. Inoltre, l’implementazione di pompe di calore reversibili emerge come una soluzione ideale, specialmente nei mesi estivi, per produrre ACS attraverso il recupero del calore di condensazione. Una configurazione appropriata per il sistema HVAC potrebbe includere un gruppo frigorifero a condensazione ad aria o un’unità frigorifera polivalente che operi in sinergia con una caldaia a condensazione modulante alimentata a metano. Questo sistema dovrebbe includere anche un’unità di trattamento aria dotata di recuperatore aeraulico, per massimizzare l’efficienza energetica e migliorare la qualità dell’aria interna.
Per quanto riguarda la produzione di acqua calda sanitaria, è fondamentale prevedere un serbatoio dotato di un sistema di ricircolo, un miscelatore termostatico e un sistema chimico a base di perossido di idrogeno, al fine di prevenire la proliferazione della Legionella. Questa attenzione ai dettagli è cruciale non solo per garantire la sicurezza degli ospiti, ma anche per impostare standard elevati di qualità del servizio, contribuendo così a un’esperienza complessiva più soddisfacente e sicura per tutti i clienti. La possibilità di integrare tecnologie avanzate per la gestione energetica negli alberghi rappresenta una risposta efficace non solo alla crescente domanda di comfort, ma anche a quella di sostenibilità, consentendo una significativa riduzione dei consumi energetici e delle relative emissioni.

CLIMATIZZZAZIONE PER HOTEL: TRE ESEMPI PER TRE TIPOLOGIE CLIMATICHE

A) gruppo frigorifero per la produzione di acqua fredda: l’evaporatore fornisce acqua fredda mentre la batteria alettata esterna cede il calore di condensazione all’esterno;
B) pompa di calore per la produzione di acqua calda: la batteria alettata agisce come evaporatore, mentre l’acqua calda viene prodotta nello scambiatore di calore a piastre;
C) recupero totale per produrre sia acqua calda che fredda: la batteria alettata esterna è esclusa dal circuito refrigerante; l’evaporatore fornisce acqua fredda mentre lo scambiatore di calore di recupero produce l’acqua calda.

I tre climi che sono stati considerati per una possibile applicazione del sistema HVAC sono:
• Bolzano (Italia), un clima asciutto e mite, tipico delle valli nell’Alpi, 266 m di altitudine;
• Venezia (Italia), un clima umido e mite sul mare Adriatico;
• Izmir (Turchia), un clima asciutto e caldo, situata nel mare Egeo.

L’edificio analizzato è un albergo di 5 piani a struttura compatta di 10.000 m3 e una superficie coperta di circa 600 m2 (1750 m2 complessivi), divisa in due zone:
• zona comune (atrio con reception, soggiorno, ristorante) e locali riservati (cucine, lavanderia, spogliatoio, sala macchine) ubicati ai piani terreno e primo;
• zona notte per una capienza di 54 persone (piani 2°÷ 5°, con 9 camere per piano, 36 totali).
I muri opachi hanno un valore di U = 0.40 W/(m2 K), mentre il tetto ha un valore di U = 0,31 W/(m2 K). Quanto alle superfici trasparenti, nelle stanze le finestre hanno un valore di U = 2,30 W/(m2 K) e SHGC = 30%, mentre per ristorante e sala d’attesa sono presenti facciate a vetrata continua rivolte ad est e sud con U = 1,26 W/(m2 K) e 22% SHGC.

Il profilo di occupazione dell’edificio è stato selezionato tramite un’analisi statistica, pensando ad un uso prettamente d’affari, con presenze più elevate durante la settimana ed inferiori nel fine settimana, così come ci sarà presenza ridotta durante i mesi estivi e lungo il giorno, mentre si riempirà nel tardo pomeriggio. La presenza di persone dentro l’edificio è essenziale per regolare le strategie di controllo dell’ambiente interno, così come influenza i carichi latenti e sensibili. Inoltre il controllo delle stanze può essere facilmente impostato per schede magnetiche, in modo che la temperatura della stanza e i tassi di ricambio d’aria possono essere fissati secondo l’occupazione. L’adozione di due livelli di ventilazione (a seconda della presenza o assenza delle persone nelle camere da letto) può fornire un risparmio di energia, come si vedrà in seguito. In ogni caso (strategie di ventilazione a una o due velocità) un’unità di recupero di calore al 50 % è stata considerata nei calcoli per tutti i climi. La conoscenza del numero delle persone presenti nell’edificio è essenziale per il controllo del microclima interno, sia in quanto causa di apporti di calore, sia perché i set-point della temperatura e del ricambio d’aria sono decisi in funzione dell’occupazione.

Per valutare l’efficienza energetica delle tre soluzioni del sistema HVAC è stato considerato:
1. un gruppo frigorifero condensato ad aria per la produzione di acqua fredda (7/12°C) ed una caldaia tradizionale (l’efficienza nominale ŋnom = 95% ed un funzionamento on/off ai carichi parziali);
2. una soluzione similare a 1, ma cambiando la caldaia con una a condensazione modulare con ŋnom = 106% e con un comportamento modulare lavorando ai carichi parziali (fino al 20% della Pnom);
3. un gruppo frigorifero polivalente condensato ad aria a ciclo reversibile, in grado di fornire contemporaneamente acqua fredda o calda su due circuiti separati, indipendentemente e simultaneamente grazie ad un terzo scambiatore di calore (recupero totale) ed una caldaia per integrare la produzione di acqua calda.

Sono stati considerati un serbatoio inerziale con 500 litri di capacità ed un accumulatore ACS di capacità di 2.500 litri. In inverno i ventilconvettori e l’UTA, incluso il post-riscaldamento, sono alimentati con acqua a 45°C. In estate l’acqua fredda è prodotta a 7°C per i ventilconvettori e per l’UTA. A seconda del controllo di umidità relativa, i ventilconvettori possono essere alimentati con una temperatura che può oscillare tra 7°C e 11°C. Il gruppo frigorifero è stato considerato funzionante per un periodo di sei mesi, ad esempio da aprile a settembre (in Izmir anche in ottobre). Per caratterizzare l’impianto si sono imposti, come da normative in essere i seguenti rendimenti di funzionamento:

• rendimento di emissione ŋem = 94% (per ventilconvettori e bocchette d’aria canalizzata);
• rendimento di distribuzione ŋdis = 97% (ipotizzando canalizzazioni coibentate su una struttura di 5 piani);
• perdite orarie per stoccaggio = 0.12 kWh (serbatoio inerziale).

La fornitura di ACS è stata calcolata mediante un profilo di consumo standard con le seguenti ipotesi:

• temperatura di prelievo dalla rete idrica a 12°C;
• temperatura di stoccaggio ACS a 60°C;
• temperatura di utilizzo ACS a 48°C;
• consumo giornaliero procapite = 120 l/(g pp);
• efficienza dello scambiatore con l’accumulo ACS = 90%;
• rendimento di distribuzione rete di ricircolo ŋdis,r = 97%;
• perdite orarie per stoccaggio = 0.5 kWh (serbatoio ACS);
• la produzione di ACS ha la priorità.

Nel caso di impiego del gruppo frigorifero polivalente, per la produzione di ACS è stata comunque considerata una fornitura a 45°C, la caldaia ausiliaria fornisce l’energia rimanente (da 45°C a 60°C). Nel periodo estivo si è supposto che il gruppo frigorifero polivalente funzioni costantemente al 100% in recupero totale i.e. produzione contemporanea di acqua refrigerata e calda per i vari utilizzi: ventilconvettori, batterie di raffreddamento e post-riscaldamento UTA, accumulo ACS.
E’ stato sviluppato un metodo di calcolo per valutare accuratamente la penalizzazione a causa del necessario sbrinamento durante il funzionamento invernale. Infatti, lavorando in pompa di calore che la macchina ha necessità di effettuare cicli di sbrinamento (invertendo il ciclo con l’iniezione di vapore) per rimuovere la brina accumulata sull’evaporatore, quando le temperature nello stesso causano congelamento. Infine sono stati adottati i seguenti coefficienti di conversione in energia primaria:
• ŋfoss = 90% per la valutazione di energia termica derivante da combustibile fossile in energia primaria;
• ŋel = 40% per la conversione di energia elettrica in energia primaria.

I RISULTATI

La prima simulazione è a portata d’aria costante, e ci porta alle richieste nette di energia visibili nella specifica tabella. La potenza di picco per riscaldamento decresce da Bolzano fino ad Izmir, mentre, a causa dell’umidità relativa elevata dell’aria esterna in estate (e così livelli elevati di entalpia), il picco di raffreddamento è legato a Venezia. Quanto alla richiesta di energia netta, l’energia di riscaldamento decresce da Bolzano fino ad Izmir, mentre l’energia di raffrescamento aumenta.
Una prima analisi è stata effettuata ponendo attenzione ai possibili risparmi di energia, grazie alla strategia di controllo per realizzare ventilazioni a velocità variabile in tutto l’albergo. L’adozione di ventilazione a 2 velocità permette una riduzione di entrambi i fabbisogni di energia, ma non sulla potenza installata, poichè le condizioni di progetto sono legate alla ventilazione con portata costante in tutto l’edificio. Il risparmio di energia ottenibile con la ventilazione a 2 velocità è tra il 25% e 30%, sia per riscaldamento che per il raffrescamento in tutti i climi. D’ora in poi sono considerati solo i fabbisogni calcolati con la ventilazione variabile. Analizzando le tre soluzioni impiantistiche, è possibile valutare i consumi totali del sistema HVAC per riscaldamento e raffrescamento. I risultati dei calcoli sono tabellati, espressi come consumo di energia primaria (E.P.) specifica, correlata all’area calpestabile o al volume climatizzato. È interessante notare che le ubicazioni hanno differenti comportamenti in riscaldamento e raffrescamento, ma il consumo totale è circa lo stesso in tutti i climi. Mediamente il risparmio ottenibile è compreso tra il 25 e il 30 %, sia per il riscaldamento che per il condizionamento: d’ora in avanti si considerano solo i fabbisogni calcolati con ventilazione variabile. Passando alle 3 soluzioni impiantistiche nel loro complesso, possiamo vedere in tabella 5 come risultino i fabbisogni necessari alla climatizzazione (fabbisogni d’energia primaria o FEP):

L’uso di una caldaia più efficiente quale è quella a condensazione (in grado di modulare la sua potenza) permette un risparmio sul fabbisogno specifico di energia primaria di circa 100 kWh/(m2anno) in tutti i climi. L’uso di un gruppo frigorifero polivalente permette un ulteriore risparmio di circa 75 kWh/m2anno: complessivamente, una macchina polivalente può garantire un risparmio energetico medio del 50% rispetto a una soluzione tradizionale, mentre il risparmio in energia primaria è circa del 30% rispetto a una soluzione più innovativa (caldaia modulante a condensazione). Un’analisi supplementare è stata effettuata considerando non solo l’energia necessaria per riscaldare/raffrescare l’edificio, ma anche l’energia necessaria per produrre l’acqua calda sanitaria, incluso l’accumulo, in accordo ad un profilo standardizzato. In questo caso l’unità polivalente durante i mesi estivi recupera il calore di condensazione, che è usato nella caldaia ausiliaria fino al livello di temperatura determinata per l’accumulo. Considerando anche che l’energia necessaria per la produzione e lo stoccaggio di ACS secondo il profilo ipotizzato, con la precisazione che la polivalente nei mesi compresi tra aprile e settembre (ottobre per Izmir), recuperi il calore di condensazione anziché funzionare in modalità pompa di calore, e lasciando alla caldaia ausiliaria il compito di portarla al valore fissato per lo stoccaggio. In considerazione della combinazione della produzione di acqua calda e le configurazioni di sistema HVAC (riscaldamento e raffrescamento), i consumi complessivi di energia primaria sono evidenziati nella tabella specifica. Si può osservare che l’uso possibile dell’energia del condensatore della macchina polivalente per produrre parte dell’acqua calda può abbassare il consumo di energia totale del sistema.

LE CONCLUSIONI

Nel presente lavoro l’attenzione è stata indirizzata ai fabbisogni di energia in alberghi isolati nei climi miti (asciutti ed umidi) e in un clima caldo e secco. Quanto al fabbisogno di energia netta è interessante notare che, sommando riscaldamento e raffreddamento, l’ammontare totale è quasi lo stesso nelle regioni considerate.
Parlando della ventilazione, anche se in tutti i casi un’unità di recupero di calore è stata considerata, la possibilità di usare un’unità di ventilazione a 2 velocità può condurre a 25% – 30% di energia risparmiata rispetto ad un’unità di ventilazione costante.
Quanto all’efficienza in produzione, tre tipi di sistemi HVAC sono stati analizzati:

• un sistema tradizionale, composto da una caldaia standard ed un gruppo frigorifero aria/acqua;
• una caldaia a condensazione modulante ed un gruppo frigorifero aria/acqua;
• un’unità frigorifera polivalente che produce riscaldamento e raffrescamento ed acqua calda sanitaria, ed una caldaia di back up per l’acqua calda sanitaria.

I risultati mostrano che l’uso di una caldaia più efficiente può condurre al 25% di energia risparmiata. Quando si considera un’unità polivalente, il risparmio di energia è attorno al 50% paragonato alla soluzione tradizionale.