Schema di trasformazione per il risparmio energetico mediante VFD per sistemi di pompe e ventilatori

Per molti sistemi di pompe e ventilatori, la via più rapida per ridurre il consumo di energia elettrica non consiste nel sostituire innanzitutto il motore; si tratta piuttosto di modificare il modo in cui il sistema regola il flusso. Un azionamento a frequenza variabile regola la velocità del motore in base alla reale domanda, aiutando le strutture a ridurre perdite dovute a strozzature, bypass, valvole di regolazione, fluttuazioni di pressione e sollecitazioni meccaniche. In applicazioni di pompe e ventilatori con esigenze di flusso variabile, un progetto ben studiato di risparmio energetico basato su VFD può migliorare le prestazioni del sistema mantenendo la pressione, il flusso, la temperatura o il volume d’aria richiesti.

Questa guida spiega come funziona uno schema di trasformazione con VFD, da dove derivano i risparmi, come valutare efficienza dell’azionamento a frequenza variabile, e cosa verificare prima di effettuare l’aggiornamento di pompe e ventilatori.

Perché pompe e ventilatori sono candidati ideali per l’installazione di VFD

Le pompe centrifughe e i ventilatori sono generalmente carichi a coppia variabile. Il loro consumo energetico risponde fortemente alle variazioni di velocità, poiché il flusso è approssimativamente proporzionale alla velocità, la pressione o la prevalenza sono proporzionali al quadrato della velocità e la potenza è proporzionale al cubo della velocità. Ecco perché una leggera riduzione della velocità può determinare una diminuzione molto più significativa della potenza richiesta. La NEMA descrive ventilatori, pompe e compressori centrifughi come applicazioni a coppia variabile che seguono queste leggi di affinità, sottolineando che il controllo tramite strozzatura o bypass riduce il flusso senza abbattere in modo significativo il consumo energetico complessivo del sistema, rispetto al controllo della velocità.

Un esempio comune è quello di una pompa o di un ventilatore che non necessita della piena potenza per l’intera giornata. Se il sistema può funzionare all’80% della velocità per parte dell’orario di lavoro, la potenza teorica richiesta corrisponde circa al 51% della potenza a piena velocità, prima di considerare gli effetti del motore, dell’inverter e dell’intero sistema. I risparmi effettivi dipendono dal ciclo di lavoro, dalla prevalenza statica, dalle condizioni delle apparecchiature, dalla logica di controllo e dalle perdite dell’inverter, ma questo principio spiega perché risparmio energetico dell’azionamento a frequenza variabile progetti di questo tipo sono frequenti nei sistemi HVAC, di raffreddamento ad acqua, di raffreddamento ad acqua refrigerata, di circolazione industriale, di pompaggio di rinforzo, di aspirazione, di ventilazione e di aria di processo.

Cosa fa un VFD in un sistema di pompe o ventilatori

Un VFD modifica la frequenza e la tensione fornite a un motore CA, consentendo alla velocità del motore di aumentare o diminuire in base a un segnale di controllo. Nel caso di un sistema di pompe, tale segnale può provenire da un trasmettitore di pressione, da un misuratore di flusso, da un sensore di livello del serbatoio o da un segnale di richiesta del processo. Nel caso di un sistema di ventilatori, può derivare dalla pressione statica del condotto, dalla temperatura, dalla differenza di pressione, dal livello di ossigeno, dalla concentrazione di CO₂ o dalla domanda produttiva.

Il Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti definisce il variatore di frequenza come il tipo più diffuso di azionamento a velocità variabile, grazie alla sua efficienza e alla capacità di controllare i motori asincroni CA. Il DOE sottolinea inoltre che una corretta operazione e manutenzione contribuiscono a mantenere i sistemi VFD sicuri, affidabili ed efficienti per tutta la loro vita utile.

Fase 1: Audit del sistema esistente

Una trasformazione efficace inizia dal sistema stesso, non dall’armadio di comando. Prima di scegliere un VFD, è opportuno raccogliere i dati di funzionamento relativi alla pompa o al ventilatore, alla targhetta del motore, al quadro elettrico, alle valvole, alle serrande, alle tubazioni, ai canali d’aria e ai dispositivi di controllo.

Le domande chiave includono:

• Il flusso è attualmente controllato da una valvola di strozzatura, da una linea di bypass, da una paletta guida d’ingresso, da una serranda di uscita o mediante commutazione manuale?
• Quante ore al giorno funzionano la pompa o il ventilatore?
• Con quale frequenza il sistema necessita del flusso massimo?
• Qual è il flusso o il volume d’aria minimo sicuro?
• La pompa o il ventilatore sono sovradimensionati rispetto al carico effettivo?
• Sono presenti problemi di cavitazione, vibrazioni, rumore, surriscaldamento o colpi d’ariete?
• Il motore è adatto per un funzionamento in condizioni di servizio con inverter?
• Il processo richiede pressione costante, portata costante, pressione variabile o controllo a fasi?

Le linee guida del DOE sui sistemi di pompaggio affermano che il bypass del flusso rappresenta solitamente l’opzione di controllo del flusso meno efficiente dal punto di vista energetico, mentre le valvole di strozzatura riducono l’efficienza aumentando la contropressione e dissipando l’energia del fluido. Le stesse linee guida del DOE indicano che la regolazione della velocità della pompa è il metodo più efficiente per controllare il flusso della pompa nelle applicazioni idonee.

Fase 2: Verificare se il controllo tramite VFD è appropriato

Un VFD risulta particolarmente efficace quando la domanda varia e il sistema può funzionare in modo sicuro a velocità ridotta. Tra i candidati ideali rientrano:

• Ventilatori delle torri di raffreddamento con una domanda stagionale o basata sulla temperatura
• Pompe per acqua refrigerata e acqua del condensatore
• Pompe di circolazione secondaria
• Sistemi di pompe di sovralimentazione con consumo d’acqua variabile
• Ventilatori di aspirazione e di mandata che servono carichi di occupazione o di produzione variabili
• Pompe di processo in cui la richiesta di portata varia tra i turni

Un VFD può risultare meno conveniente quando il carico è quasi costante, quando l’impianto presenta una prevalenza statica elevata oppure quando la pompa deve funzionare per la maggior parte del tempo vicino alla velocità nominale. Il DOE avverte che le regolazioni della velocità della pompa non sono adatte a tutti i sistemi, soprattutto nei casi in cui la prevalenza statica rappresenta una quota significativa della prevalenza totale, poiché rallentare la pompa può causare problemi operativi analoghi a quelli derivanti dal funzionamento in prossimità delle condizioni di arresto.

Fase 3: Progettazione della strategia di controllo

Il VFD da solo non genera automaticamente risparmi. I risparmi derivano dalla riduzione della velocità non necessaria, mantenendo comunque il corretto funzionamento del processo. La strategia di controllo dovrebbe essere semplice, stabile e misurabile.

Le modalità di controllo comuni includono:

• Controllo a pressione costante: Un sensore di pressione invia un segnale di retroazione al VFD, che regola la velocità per mantenere il valore di riferimento impostato.
• Controllo a pressione variabile: Il valore di riferimento della pressione varia in base alla portata, all’orario programmato o alla domanda, così da evitare una sovrapressurizzazione dell’impianto a basso carico.
• Controllo del flusso costante: Un misuratore di portata mantiene la portata di processo richiesta.
• Controllo della temperatura: La velocità del ventilatore o della pompa varia in funzione della temperatura dell’acqua di ritorno, della temperatura dell’aria di mandata o della temperatura del processo.
• Controllo della pressione differenziale: Comune nei circuiti idrici degli impianti HVAC e nei sistemi di filtrazione.
• Staging multipompa o multifan: Un unico azionamento controlla un’unità principale, mentre le altre unità vengono attivate o disattivate in modo sequenziale in base alle variazioni della domanda.

Per ottenere i migliori risultati, evitare di impostare il valore di riferimento della pressione o della portata d’aria più alto del necessario. Un setpoint troppo elevato può costringere il VFD a funzionare a velocità eccessiva, riducendo i risparmi e aumentando l’usura.

Fase 4: Selezionare il pacchetto VFD e motore adeguato

Uno schema di trasformazione con VFD dovrebbe essere compatibile con le condizioni elettriche, meccaniche e ambientali del sito. La selezione deve tenere conto di:

• Potenza del motore, tensione, corrente, fattore di servizio e classe di isolamento
• Tipo di carico: pompa centrifuga, ventilatore centrifugo, ventilatore assiale, soffiatore o altre apparecchiature
• Valutazione del sovraccarico e requisiti di coppia di avviamento
• Grado di protezione dell’involucro, temperatura ambiente, umidità, polvere e atmosfera corrosiva
• Armoniche in ingresso, lunghezza del cavo di uscita, messa a terra e interferenze elettromagnetiche
• Requisiti di bypass per sistemi critici
• Esigenze di comunicazione, come Modbus, BACnet, Ethernet o integrazione PLC
• Funzioni di sicurezza, logica di arresto d’emergenza e interblocchi

L’efficienza dei VFD è generalmente elevata a carico medio e pieno, ma non rimane costante in tutte le condizioni. Il foglio informativo del DOE sull’efficienza parzializzata dei variatori di velocità mostra valori rappresentativi dell’efficienza dei VFD a modulazione di larghezza d’impulso (PWM), che variano in base alle dimensioni del dispositivo e alla percentuale di carico, e sottolinea che l’efficienza operativa può essere influenzata dalla configurazione del VFD.

Ciò significa che la migliore progettazione di retrofit considera l’efficienza complessiva del sistema, non solo quella del variatore. Il risultato effettivo dipende dall’efficienza combinata del VFD, del motore, della pompa o del ventilatore, e del sistema di tubazioni o canne.

Fase 5: Stimare i risparmi energetici e il periodo di ammortamento

Un calcolo pratico del risparmio energetico di un VFD dovrebbe utilizzare le ore di funzionamento misurate e i profili di carico reali. Un approccio semplice è:

1. Misurare la potenza assorbita in kilowatt nei punti di funzionamento tipici.
2. Registrare le ore di funzionamento per ciascuna condizione di carico.
3. Stimare la nuova potenza a velocità ridotte utilizzando le leggi di affinità.
4. Correggere tenendo conto dell’efficienza del VFD, del motore e delle apparecchiature.
5. Moltiplicare la riduzione annua di kWh per la tariffa elettrica.
6. Aggiungere il risparmio sulla tariffa di domanda se la potenza massima in kW viene ridotta.
7. Confrontare il risparmio con i costi relativi alle apparecchiature, all’installazione, alla messa in servizio e alla manutenzione.

Ad esempio, se un ventilatore attualmente funziona a piena velocità mentre una serranda limita il flusso d’aria, la conversione al controllo della velocità può ridurre significativamente la potenza del ventilatore durante le ore di bassa richiesta. Tuttavia, la stima dovrebbe tenere conto dei reali requisiti di portata d’aria, delle norme minime di ventilazione, delle condizioni della cinghia, della perdita di carico dei filtri e dell’orario di funzionamento.

Il Progetto Uniform Methods del DOE sottolinea che l’adozione di un protocollo coerente di misurazione e verifica aumenta la fiducia nei risparmi energetici riportati e riduce i rischi quando l’efficienza energetica viene considerata come una risorsa.

Fase 6: Installare, mettere in servizio e proteggere il sistema

Dopo l’installazione, la messa in servizio è fondamentale. L’installatore dovrebbe verificare la rotazione del motore, la tensione di alimentazione, la messa a terra, i segnali di controllo, la taratura dei sensori, i tempi di accelerazione e decelerazione, la frequenza minima e massima, la regolazione PID, la logica degli allarmi e il funzionamento di emergenza.

Impostazioni di protezione importanti includono:

• Velocità minima per prevenire un raffreddamento insufficiente, una bassa portata o un funzionamento instabile del ventilatore
• Velocità massima per evitare sovraccarichi o pressioni eccessive
• Protezione contro il funzionamento a secco per le pompe
• Protezione contro la bassa pressione di aspirazione
• Limiti di sovracorrente e sovraccarico
• Logica anti-cavitazione, ove applicabile
• Modalità di sospensione e riattivazione per i periodi di bassa richiesta
• Rampe di avviamento e arresto dolci per ridurre il colpo d’ariete o gli urti meccanici

Per sistemi critici di approvvigionamento idrico, antincendio, di produzione o di ventilazione, includere una strategia di bypass solo quando opportuno. Un bypass può migliorare la resilienza, ma se gli operatori lasciano il sistema in modalità bypass, i risparmi energetici andranno persi.

Migliori pratiche per prestazioni a lungo termine

Per mantenere stabili i risparmi dopo l’aggiornamento:

• Monitorare andamento della velocità, della potenza in kW, della pressione, della portata e del tempo di funzionamento.
• Rivedere i setpoint dopo i cambiamenti stagionali.
• Pulire filtri, griglie, serpentine e giranti.
• Verificare cinghie, cuscinetti, guarnizioni e allineamento.
• Formare gli operatori affinché non sovrascrivano il VFD senza necessità.
• Rivedere gli allarmi invece di mascherarli.
• Confrontare i kWh mensili prima e dopo il progetto.

Una trasformazione con VFD non è semplicemente un aggiornamento elettrico. È un progetto di ottimizzazione del sistema. Quando la pompa o il ventilatore presentano una domanda variabile, quando la strategia di controllo è progettata correttamente e la messa in servizio viene eseguita con attenzione, un azionamento a frequenza variabile può garantire prestazioni affidabili risparmio energetico dell’azionamento a frequenza variabile ottenendo al contempo una maggiore stabilità del processo e una vita utile più lunga delle apparecchiature.

Conclusione finale

Il piano più efficace parte dalla misurazione, verifica l’adeguatezza, seleziona l’azionamento e i sensori appropriati, applica un controllo basato sulla domanda e, dopo la messa in servizio, ne verifica i risultati. Per i sistemi di pompe e ventilatori che ancora fanno affidamento su valvole di regolazione, linee di bypass o serrande, il controllo tramite VFD rappresenta spesso una delle soluzioni di risparmio energetico più pratiche disponibili.