Strategie e soluzioni per l’efficientamento dei motori elettrici al servizio degli impianti HVAC

Gli impianti HVAC (Heating Ventilation and Air Conditioning) sono in buona parte responsabili dei più alti consumi energetici del patrimonio edilizio, ma sono anche responsabili di elevate emissioni in atmosfera e dell’impatto ambientale, parametri cardine della sostenibilità degli edifici. Tali consumi, che si traducono in costi considerevoli, possono essere dovuti ad inefficienze impiantistiche, cattiva gestione e manutenzione, assenza di adeguata regolazione. Con l’incremento degli standard qualitativi della vita e il mondo della digitalizzazione degli edifici, il numero di impianti HVAC subirà una crescita rilevante: i più moderni dispongono già di tecnologie all’avanguardia che permettono l’ottimizzazione delle performance, ma come possiamo migliorare ciò che è già esistente e ancora perfettamente funzionante?

Prima di capire quali possono essere gli accorgimenti che permettono di condurre un efficientamento del patrimonio impiantistico esistente, dobbiamo ricordare che un impianto HVAC è un sistema complesso, composto da diversi elementi, che sono funzione della classificazione dell’impianto (impianto ad aria, ad acqua, misti, ad espansione diretta e a fluido intermedio). Ognuno dei suddetti elementi concorre al funzionamento dell’intero sistema secondo specifiche gerarchie di importanza, che sono a loro volta funzione degli assorbimenti elettrici e del costo specifico di ogni apparecchiatura. Di seguito vedremo su quali componenti vengono solitamente attuati gli interventi di efficientamento.

Figura 1 Esempio di impianto HVAC misto (aria-acqua)

I motori elettrici al servizio degli impianti HVAC

Cenni sulle principali caratteristiche

I motori elettrici utilizzati nei sistemi HVAC esistenti, impiegati al servizio di ventilatori, pompe di circolazione e altri componenti che richiedano forza motrice per il loro funzionamento, sono elementi soggetti ad usura e spesso comportano consumi rilevanti a causa della tecnologia costruttiva e della classe di efficienza a cui appartengono. In generale, un motore elettrico sfrutta i principi dell’elettromagnetismo per generare una coppia in grado di porre in rotazione un albero di trasmissione intorno al proprio asse: quando la corrente passa attraverso un avvolgimento di spire che si trova nel rotore viene indotto un campo magnetico perpendicolare al piano dell’avvolgimento. 

I motori più utilizzati negli impianti HVAC sono i motori asincroni e i motori sincroni: nel primo caso la rotazione avviene ad una velocità inferiore rispetto al campo magnetico generato dagli avvolgimenti, permettendo un basso costo di acquisto ed un’elevata affidabilità; nel secondo caso la frequenza di rotazione è sincronizzata con la frequenza di rete, permettendo un’elevata precisione ed una velocità di rotazione costante. 

Negli impianti esistenti il motore più diffuso è quello asincrono, anche chiamato motore ad induzione. In questo tipo di motore il rotore può essere:

• avvolto: presenta avvolgimenti trifase connessi a stella con 3 anelli di scorrimento e 3 spazzole che provvedono all’alimentazione esterna.

• a gabbia di scoiattolo: presenta avvolgimenti trifase più corti. 

Nella tabella 1 si evidenziano le maggiori differenze fra i due tipi di motore. 

Tabella 1 – Differenze motori 

Normativa e classi di efficienza

Il Regolamento UE 2019/1781, in applicazione della direttiva 2009/125/CE riporta le specifiche per la progettazione ecocompatibile dei motori elettrici e dei variatori di velocità, modifica il regolamento (CE) n.641/2009 per quanto riguarda le specifiche per la progettazione ecocompatibile dei circolatori senza premistoppa indipendenti o integrati e abroga il regolamento (CE) n.640/2009. Secondo i suddetti regolamenti sono stati poi emanati/aggiornati gli standard IEC/EN 60034-30, che definiscono le classi di efficienza dei motori elettrici. 

Le classi di efficienza si distinguono in quattro range:

  
Rispetto al passato, già con l’edizione del 2014, lo standard includeva:

– motori elettrici a velocità singola (mono e trifase), 50 e 60 Hz – 2, 4, 6 o 8 poli;

– potenza nominale PN da 0,12 kW a 1000 kW – tensione nominale UN superiore a 50 V fino a 1 kV; 

– motori in grado di operare in servizio continuativo alla rispettiva potenza nominale con sovratemperatura che rientri nei limiti della specifica classe di isolamento termico;

– motori marcati con range di temperatura ambiente compreso tra -20° C e +60° C;

– motori marcati con altitudine massima di 4000 m sul livello del mare.

Rimangono invece esclusi:

– motori a velocità singola a dieci o più poli o motori a più velocità.;

– motori totalmente integrati in una macchina (ad esempio pompe, ventilatori o compressori) che non possono essere testati separatamente dalla macchina;

– motori elettrici auto frenanti, se il freno non può essere smontato o alimentato separatamente.

Con il nuovo Regolamento variano leggermente i range di potenza nominale per le classi di efficienza IE2, IE3 ed IE4. Nello specifico, nella tabella 2 sono rappresentati i valori minimi di efficienza a 50 Hz definiti dal Regolamento 2019/1781 e dallo standard IEC/EN 60034-30.

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