presentazione impianto edificio 11 e 12 politecnico di milano

INNOVAZIONE
PER
L’EFFICIENZA ENERGETICA
Milano, 02/09/2016
Presentazione impianto edificio
11-12 Politecnico di Milano
Ing. Alessandro Fontanesi
CPL Concordia
Titolo relazione
Ing. Alessandro Fontanesi – CPL Concordia
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Titolo relazione
Sommario
• Definizione specifiche
•
•
•
•
Specifiche della committente
Rilievi
Calcolo dei carichi estivi
Scelta dell’ubicazione
• Contenuti progettuali
•
•
•
•
•
•
•
Definizione dell’impianto
Scelta del refrigeratore
Energia termica per il post-riscaldo UTA
Regolazione e controllo della portata
Verifica convenienza adozione sistema VFP (Variable Primary Flow)
Schema dell’impianto
Layout dell’impianto
• Commissioning
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Titolo relazione
Specifiche e Rilievi
Richieste della committente
•
Raffrescamento della biblioteca e delle aule didattiche dell’edificio 11A/B
(Architettura) e degli uffici dell’edificio 12
•
Centralizzazione della produzione di acqua refrigerata e smantellamento
dei n.5 refrigeratori di liquido esistenti dislocati in posizioni provvisorie e
distanti e in cattive condizioni
•
La potenza frigorifera dovrà tener conto dei futuri progetti di riqualifica:
riqualifica degli impianti di climatizzazione a tutt’aria esistenti per
garantire maggior benessere termoigrometrico interno alle aule; le
portate d’aria attuali per l’edificio 11B sono quelle necessarie nel periodo
invernale prestate anche per la mitigazione dei carichi estivi, alcune aule
non climatizzate. Primo periodo di funzionamento a carico parziale
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Titolo relazione
Specifiche e Rilievi
Richieste della committente
•
Sfruttamento degli spazi tecnici esistenti occupati dai precedenti
refrigeratori di liquido senza occupare nuovi spazi.
•
Elevata efficienza dell’impianto, elevata capacità di parzializzazione dei
refrigeratori e delle portate anche in relazione ai progetti futuri di sviluppo
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Titolo relazione
Rilievi
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Titolo relazione
Rilievi
•
Gli edifici 11A ed 11B sono impianti con climatizzazione a tutt’aria serviti
da n.12 UTA esistenti + n.1 futura che servono diverse zone + n.2 circuiti
idronici a fancoils per uffici.
•
Edificio 12 è costituito da uffici raffrescati con circuito idronico per fancoils
senza valvole di regolazione.
•
Necessario post-riscaldamento estivo sulle n.13 UTA. Su alcune UTA il
post-riscaldamento è presente, su alcune UTA è assente.
•
Edificio 11B presenta ampie superfici vetrate è caratterizzato da elevati
carichi e variabilità in relazione all’occupazione e al periodo della
giornata. Utilizzata talvolta anche di sera a carichi molto ridotti.
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Titolo relazione
Rilievi
•
Terminali batterie di
riscaldamento/raffrescamento delle UTA,
attualmente alimentate con portata costante, attualmente regolate con
valvole a tre vie
•
Riqualifica degli impianti di climatizzazione per garantire maggior
benessere interno alle aule: le portate d’aria attuali d’aria sono quelle
necessarie nel periodo invernale prestate per la mitigazione dei carichi
estivi.
•
L’impianto nel complesso risulta esteso, discreta potenza di pompaggio
richiesta, fabbisogni elevati e variabili
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Titolo relazione
Calcolo carichi estivi
Utenze servite
Potenza Potenza
picco
ridotta
Zona
[kWf]
[kWf]
Ampliamento Architettura 11B Situazione Futura (n.9 UTA)
1.650
907,5
Ampliamento Architettura 11B (n.1 Futura Uta Piano Primo)
200
200
Architettura Ala Vecchia 11A Uta 1 (Aule A-F)
232
162,4
Architettura Ala Vecchia 11A Uta 2 (Biblioteca)
209
146,3
Architettura Ala Vecchia 11A Uta 3 (Aula N e Uffici)
125
62,5
Architettura Ala Vecchia 11A (Fancoils Piano Primo)
15
15
Architettura Ala Vecchia 11A (Fancoils Piano Seminterrato)
55
55
Edificio 12 (Fancoils Uffici)
200
200
Potenza totale
2.886
1.749
Potenza termica (45/40°C) richiesta per batterie post-riscaldo UTA: 273kWt
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Titolo relazione
Ubicazione
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Titolo relazione
Ubicazione
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Titolo relazione
Rilievo soppalco spazi disponibili
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Titolo relazione
Contenuti progettuali
Definizione dell’impianto
•
soppalco in carpenteria metallica esistente a sbalzo, necessità di
contenimento degli spazi richiesti per le apparecchiature
•
sviluppo progetto del layout in 3D
•
adozione di refrigeratore unico in classe A, condensato ad aria esterna
con temperatura massima 35°C, unico circuito refrigerante
•
inserimento di regolazione terminali a portata variabile (7-12°C, delta
T=5°C)
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Titolo relazione
Contenuti progettuali
Definizione dell’impianto
•
mantenimento elevata efficienza alle condizioni di carico molto variabili
nel corso della stagione estiva (elevato ESEER)
•
compressori a velocità variabile azionati da inverter per permettere
massima parzializzazione della potenza frigorifera
•
refrigeratore con ridotta trasmissione di vibrazioni, rumore e peso per
garantire elevata potenza ed evitare barriere attenuanti
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Titolo relazione
Definizione dell’impianto
•
impianto esteso con discrete perdite di carico, contenimento dei
fabbisogni e dei consumi elettrici di pompaggio
•
verifica minimo contenuto d’acqua per corretto
compressori ed aumentare l’efficienza d’impianto
•
adozione di distribuzione idronica a portata variabile al primario e
secondario in serie (VPF) per ridurre i consumi e recuperare ulteriore
spazio
funzionamento
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Titolo relazione
Definizione del refrigeratore
Effetti della variazione di portata nel ciclo frigorifero:
•
Effetti variazione di portata nell’evaporatore
in aumento potenzialmente non pericoloso,
compressori
a
vite
soffrono
alta
temperatura dell’olio
•
Effetti variazione di portata nell’evaporatore
in diminuzione potenzialmente pericolosa
per il possibile ritorno di liquido refrigerante
al compressore, compressori a vite
soffrono il ritorno di liquido
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Titolo relazione
Definizione del refrigeratore
Accorgimenti per limitare effetti negativi nel controllo a portata d’acqua variabile:
evaporatore allagato per garantire arrivo di refrigerante solo in fase gas al
compressore
Nei tubi scorre l’acqua refrigerata, la miscela di liquido e vapore proveniente
dalla valvola di espansione scorre tra tubi e mantello. Il livello della miscela
liquido-gas copre completamente i tubi, presenta alta superficie di scambio
termico. Grande carica di refrigerante. Efficienza maggiore di altri evaporatori.
Se portata acqua cala sotto 50% si rischia il blocco antigelo e necessità di
riempimento circuito con miscela di glicole.
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Titolo relazione
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Titolo relazione
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Titolo relazione
Definizione del refrigeratore
Accorgimenti per limitare effetti negativi nel controllo a portata variabile:
garantire portata minima di acqua all’evaporatore superiore al 50%
Necessaria valvola modulante di regolazione portata minima Vs ed è
consigliabile un pressostato di minima con interblocco elettrico di sicurezza in
caso di malfunzionamento PLC a salvaguardia compressori. Utile per prevenire
errori o modifiche involontarie settaggi operati del manutentore.
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Titolo relazione
Definizione del refrigeratore
Effetti della variazione di portata nella regolazione:
•Valvole di regolazione dei terminali modificano percentuale di apertura
•Le sonde controllo pompe B-B1 avvertono la variazione di prevalenza
•Le sonde controllo portata minima evaporatore A-A1 possono chiedere alla
valvola Vs di modificare la percentuale di apertura
•Una variazione della posizione di Vs può ripercuotersi sulla portata mandata
all’impianto avvertita dalla sonde B-B1 con richiesta di aumento della portata
elaborata dalla pompa
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Titolo relazione
Definizione del refrigeratore
Effetti della variazione di portata nella regolazione:
•Intervento valvole termostatiche gruppo frigorifero per adeguare portata di
refrigerante all’evaporatore
•Intervento microprocessore a logica autoadattativa per adeguare il controllo
alla nuova portata
•La variazione di portata e di carico può infine portare alla disattivazione di
un gradino di regolazione del gruppo frigorifero che può comportare
introduzione di inefficienze
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Titolo relazione
Definizione del refrigeratore
Accorgimenti per limitare effetti negativi nel controllo a portata
variabile:
•Consigliabile impianto dotato di unico refrigeratore per evitare complicazioni
ed inconvenienti, in particolare la repentina variazione della portata
nell’evaporatore in funzione durante i transitori di inserimento in parallelo
degli altri refrigeratori; necessità di regolare sequenza di inserimento e
coordinamento tra pompe e refrigeratori;
•La variazione di portata all’evaporatore deve avvenire in modo lento,
situazione favorita da circuiti estesi, con elevato fabbisogno suddiviso su un
elevato numero di utenze per evitare pendolazioni indesiderate, il servizio
manutenzione dovrà spegnere per zone l’impianto;
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Titolo relazione
Definizione del refrigeratore
Accorgimenti per limitare effetti negativi nel controllo a portata
variabile:
•L’impianto a completa portata variabile è più convenientemente applicato ad
utenze di impianti di climatizzazione civile (con variazioni di carico lente)
piuttosto che utenze industriali o tecnologiche caratterizzate da repentine
variazioni di carico determinate da accensioni e spegnimenti dei macchinari.
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Titolo relazione
Definizione del refrigeratore
Scelta refrigeratore di liquido condensato ad aria con compressori
centrifughi oil-free a levitazione magnetica, con evaporatore allagato:
•Potenza 1.500kWf, suddivisa su n.4 compressori, con modulazione
continua
del numero di giri dei compressori
•
Elevato rendimento dei compressori ed
elevata
efficienza
di
conversione
dell’energia in parzializzazione fino al 15%
•
Elevato ESEER 5,6
•
Anno costruzione 2014, refrigerante R134a
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Titolo relazione
Definizione del refrigeratore
•
Massima temperatura dell’aria esterna 35°C per avere produzione acqua
refrigerata a 7°C
•
Variabilità di portata all’evaporatore allagato ammessa in ampio intervallo
50-140% con acqua refrigerata delta T nominale = 5°C. Necessità di
controllo preciso del livello di liquido refrigerante nell’evaporatore
mediante sensore di livello capacitivo in combinazione con la valvola di
espansione elettronica
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Titolo relazione
Energia Termica per il post-riscaldo UTA
Post-riscaldo dell’aria nelle batterie UTA - necessari 273kWt
Per il refrigeratore scelto, con refrigerante R134a, non è conveniente
prevedere il recupero parziale di calore tramite desurriscaldatore
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Titolo relazione
Energia Termica per il post-riscaldo UTA
Il recupero parziale di calore dipende:
•dal tipo di refrigerante: con R134a non si presta molto perché la potenza
recuperabile è di circa il 10-12% della resa frigorifera e quindi non più di
180kWt per il refrigeratore
•dalla pressione di condensazione del ciclo: più è alta maggiori sono le
temperature
•dal surriscaldamento del refrigerante: più è elevato maggiore è il recupero,
ma con evaporatore allagato il surriscaldamento è pressochè nullo
•rendimento del compressore: peggiore è il rendimento dei compressori
maggiore è la potenza recuperabile. I compressori centrifughi avendo
elevata efficienza con compressione vicina all’isentropica non favoriscono la
disponibilità di energia termica con desurriscaldatore
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Titolo relazione
Energia Termica per il post-riscaldo UTA
Adozione di pompa di calore scroll acqua-acqua inserita in spillamento sul
circuito ritorno generale acqua refrigerata a cui sottrae energia termica preraffrescando l’acqua che ritorna al refrigeratore principale da 12°C a 7°C.
Permette di fornire fino a 295kWf che si sommano ai 1.500kWf del
refrigeratore principale, il quale si trova a lavorare ulteriormente parzializzato
e quindi più efficiente e si evita l’inserimento forzato di un desurriscaldatore
con funzionamento incerto che sarebbe fonte di perdite di carico
Lato condensatore la pompa di calore permette di produrre acqua calda
temperature 45-40°C e potenza termica 395kWt inviata alle batterie di postriscaldo delle UTA
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Titolo relazione
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Titolo relazione
Regolazione e controllo della portata
Per rendere l’impianto a portata variabile sono state sostituite le esistenti valvole
a tre vie presenti sulle utenze con valvole a due vie
Per tarare e garantire le portate in ogni ramo sono stati installati in ogni ramo dei
regolatori di pressione differenziale.
L’obiettivo è mantenere la pressione differenziale richiesta consentendo così un
bilanciamento accurato ed effettiva regolazione in riduzione della portata
L’introduzione di queste valvole
porterà vantaggi in fase di
commissioning
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Titolo relazione
Regolazione e controllo della portata
Sulle tubazioni che alimentano il circuito più critico e sfavorito (UTA B1-B7) sono
state installate n.2 sonde di pressione differenziale che hanno il compito di
ridurre il numero di giri delle pompe ogni qualvolta la differenza di pressione in
questa coppia di punti tende ad aumentare o perché chiudono le valvole su tale
linea o perché una maggior portata viene dirottata su questa linea a seguito della
chiusura della altre linee più favorite.
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Titolo relazione
Regolazione e controllo della portata
Andamento della prevalenza in funzione
al punto di controllo
Dal punto di vista energetico conviene
misurare e mantenere costante la
caduta di pressione nel punto
significativo e più critico dell’impianto
Più le sonde sono poste lontano dalla
pompa sul circuito più sfavorito, più la
prevalenza richiesta alla pompa è bassa
a parità di portata, portando un vantaggio
dal punto di vista energetico per quanto
riguarda i consumi elettrici della pompa
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Titolo relazione
Verifica convenienza adozione sistema VPF
La macchina scelta permette l’adozione di un sistema VPF
Comportamento utilizzatori acqua refrigerata in impianti di condizionamento: al
variare della potenza frigorifera: per un carico termico dell’impianto ridotto al 75%
del valore nominale, la portata d’acqua necessaria diminuisce più del 50%
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Titolo relazione
Verifica convenienza adozione sistema VPF
Nel caso di circuito primario a portata variabile quindi al di sotto del 75% del
fabbisogno nominale dell’impianto, la portata scende al 50% della nominale.
Quindi al di sotto di questa soglia la portata all’evaporatore non può più essere
variata e la pompa deve garantire il 50% di portata con una prevalenza fissa
calcolata in questa condizione
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Titolo relazione
Verifica convenienza adozione sistema VPF
In base alle considerazioni precedenti non è difficile fare una stima teorica
semplificata dei risparmi energetici, anche in forma percentuale, per capire nel
nostro impianto se utilizzare una primario a portata fissa e secondario variabile
oppure un impianto con primario a portata variabile con secondario in serie.
Per un calcolo semplificato si può utilizzare l’indice ESEER+P (refrigeratore più
sistema di pompaggio), utilissimo anche quando non si dispone di software per
ricavare la curva di carico dell’impianto:
ESEER =
EER+P (100%,35°C)*0,03 + EER+P (75%, 30°C)*0,33 +
EER+P (50%,25°C)*0,41 + EER+P (25%, 20°C)*0,23
dove EER+P = Potenza frigorifera/(potenza compressori + potenza pompe)
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Titolo relazione
Verifica convenienza adozione sistema VPF
Infine è possibile fare una stima dei fabbisogni di energia elettrica
kWhf in N ore annuali di freddo estratto =
0,03*100%*N*Q100%+
0,33*75%*N*Q100%+
0,41*50%*N*Q100%+
0,23*25%*N*Q100%
=N*Q100%*(0,03*1+0,33*0,75+0,41*0,50+0,23*0,25)
=N*Q100%*0,54
Poiché ESEER+P = kWf/kWe = kWhf/kWhe
Stima consumi elettrici [kWhe] = N*Q100%*0,54/ESEER+P
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Titolo relazione
Verifica convenienza adozione sistema VPF
Stima dei fabbisogni di energia elettrica con primario a portata costante e
secondario a portata variabile
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Titolo relazione
Verifica convenienza adozione sistema VPF
Stima dei fabbisogni di energia elettrica con primario a portata variabile e
secondario in serie
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Titolo relazione
Verifica convenienza adozione sistema VPF
Dal calcolo teorico emerge che per l’impianto in questione il risparmio stimato di
energia elettrica, calcolato sulla base dell’ESEER, è pari a circa il 4,6%.
Probabilmente il vantaggio è superiore perché l’adozione di pompe al primario e
secondario comporta sovradimensionamenti ed i rendimenti di pompe più piccole
sono spesso inferiori.
E’ stata quindi decisa l’adozione di sistema di distribuzione VPF conveniente dal
punto di vista energetico e che ha permesso di contenere pesi, ingombri e costi
d’impianto.
I risparmi sono percentualmente tanto maggiori quanto più è alto il valore dell’ESEER
del refrigeratore perché a parità di risparmio sul pompaggio, questo influisce
percentualmente di più quanto minore è il consumo dei gruppi frigoriferi. Per quanto
riguarda il nostro impianto i primi anni di utilizzo parzializzato aumentano i vantaggi.
I risparmi sarebbero stati inferiori nel caso di impianto VPF con più di un gruppo
frigorifero poiché la potenza di pompaggio al primario si riduce al disinserirsi del
gruppo frigo cui la pompa è dedicata. Inoltre nel caso più gruppi frigo le inefficienze di
regolazione possono limare ulteriormente i vantaggi.
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41
Titolo relazione
Schema dell’impianto
Del t a P 632-631: 0,25bar
P-01/02/03
SI-01
F UT URA U. T. A. P IA NO PRIMO
A ULE 001, 002, 004, 005
ADD -01
PD-01
D IS-01
Del t a P 683-684: ?bar
1
Del t a P : 0,15bar
M
COPERTURA
EDIFICIO 11
C H-01
M
M
ET-01/02
STAFF-150
RC Group
UNICO TURBO
P-04/05
H P-01
1
RC Group
1
MANTA
P-06/07/08
STAFF-SG200
M
M
M
F ANCOILS PI ANO PRIMO
"ARCHIT ET TURA V ECCHIA"
KTM512 D N 25-32LF
F ANCOILS PI ANO INTE RRATO
"ARCHIT ET TURA V ECCHIA"
KTM512 D N 65LF
M
B AT TE RI A CALDA
U.T .A . 1-2
B AT TE RI A CALDA
U.T .A . 3
P OS T-RI SCALDO
U.T .A . B1-B7
P OS T-RI SCALDO
U.T .A . 2
P OS T-RI SCALDO
U.T .A . 1
ST-01
ET-03
M
AIR IN
AIR OUT
COPERTURA
EDIFICIO 11
COPERTURA "ARCHITETTURA VECCHIA"
EDIFICIO 11
STAFF-80
AIR OUT
F A NCOILS
AIR IN
SOPPALCO PIANO TERRA "ARCHIT.
VECCHIA" - EDIFICIO 11
B AT TE RI A CALDA
U.T .A . BI BLIOTECA
U.T .A . PATIO
P-09/10/11
M
M
M
COPERTURA
EDIFICIO 11
SOTTOCENTRALE U.T.A. EDIFICIO "ARCHITETTURA AMPLIAMENTO" EDIFICIO 11 - FABBISOGNO ATTUALE 410kWf/73mc/h/Temp. 7 -12°C
SCHEMA FUNZIONALE SEZIONE DI RISCALDAMENTO ED.12
DN150
RE TE T LR B ONARDI A CQUA
CALDA
DN150
A RET E TLR BONA RDI
A CQUA CALDA
DA RE TE T LR B ONARDI
A CQUA CALDA
S ONDA T EM PE RATURA
E STE RNA
LIM IT E SK ID F ORNI TURA DANFOSS
RE GOLATORE
E CL
DANFOSS
I NV E RNO CHIUSA
CAVEDIO ESISTENTE
I NV E RNO CHIUSA
I NV ERNO A PE RTA
INVERNO
UTE NZ E EDIF ICIO
12
I NV ERNO A PE RTA
M
M
M
SOTTOCENTRALE EDIFICIO 12 - FABBISOGNO ATTUALE 200kWf/34,4mc/h/Temp. 7 -12°C
LIM IT E SK ID F ORNI TURA DANFOSS
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Titolo relazione
Layout dell’impianto
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43
Titolo relazione
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Titolo relazione
Distribuzione idronica sulla copertura
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Titolo relazione
Distribuzione altimetrica
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Titolo relazione
Commissioning
Il commissioning dell’impianto descritto ha previsto le seguenti attività:
•Messa in esercizio refrigeratore
•Taratura pressostato di blocco compressori per minima caduta di pressione
evaporatore
•Verifica allineamento pompe
•Set point Dp delle sonde differenziali A-A1 che assicurano il controllo della minima
portata nel refrigeratore attraverso la valvola 2 vie Vs
•Set point Dp delle sonde differenziali B-B1 sul ramo più critico e sfavorito per il
mantenimento della pressione differenziale che permette di regolare il numero di giri
della pompa
•Verifica corretta alimentazione e funzionamento valvole 2-vie sui terminali,
impostazione tempo di ritardo chiusura
•Taratura delle valvole limitatrici di portata, permette di rilevare la portata settata su
ogni circuito durante il commissioning e di verificare e tarare la portata massima
elaborata dalle pompe
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Titolo relazione
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48
Titolo relazione
Report taratura valvole controllo portata
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Titolo relazione
GRAZIE PER L’ATTENZIONE
Le opinioni espresse dagli Autori non rispecchiano necessariamente quelle dell’Associazione
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