CICLO FRIGORIFERO PER RAFFREDDAMENTO

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1 CICLO FRIGORIFERO PER RAFFREDDAMENTO REGIONE CALDA Liquido saturo o sottoraffreddato Q out 3 2 Vapore surriscaldato valvola di espansione condensatore compressore P c evaporatore 4 1 Miscela bifase liquidovapore Q in Vapore saturo o surriscaldato REGIONE FREDDA COP frigorifero = Q in /P c COP frigorifero MAX = T C /(T H -T C ) 1di 14

2 CICLO FRIGORIFERO PER RAFFRESCAMENTO ESTERNO T H = 34 C Liquido saturo o sottoraffreddato Q out 3 2 Vapore surriscaldato valvola di espansione condensatore compressore P c Miscela bifase liquidovapore evaporatore 4 1 INTERNO Q in Vapore saturo o surriscaldato T C = 24 C COP frigorifero = Q in /P c COP frigorifero MAX = T C /(T H -T C ) 2di 14

3 CICLO FRIGORIFERO PER RISCALDAMENTO ESTERNO T C = 5 C Miscela bifase liquidovapore Q in 4 1 Vapore saturo o surriscaldato valvola di espansione evaporatore compressore P c Liquido saturo o sottoraffreddato condensatore 3 2 INTERNO Q out Vapore surriscaldato T H = 20 C Q out = Q in + P c COP pompa di calore = Q out /P c = Q in /P c + 1= COP frigorifero + 1 COP pompa di calore MAX = T H /(T H -T C ) 3di 14

4 OSSERVAZIONE SUL COP Dalle formule appena scritte, il COP della pompa di calore sembra maggiore del COP del condizionatore. In realtà, ciò che cambia nei due casi è la differenza (T H -T C ). Nell esempio considerato: (T H -T C ) = 10 K per il raffrescamento; (T H -T C ) = 15 K per il riscaldamento. Considerando il caso ideale, si avrebbe: Raffrescamento: T C = 24 C = 297 K COP = 297/10 = 29,7 Riscaldamento: T H = 20 C = 293 K COP = 293/15 = 19,5 Quindi, utilizzando la stessa macchina per il raffrescamento e per il riscaldamento, avrò un COP leggermente superiore nel funzionamento come condizionatore rispetto a quello come pompa di calore. 4di 14

5 CONFRONTO POMPA DI CALORE- CALDAIA PER RISCALDAMENTO AMBIENTI La convenienza di un impianto di riscaldamento a pdc rispetto ad uno tradizionale dipende in maniera determinante da alcuni fattori, tra cui: le condizioni climatiche esterne che si registrano durante le ore di funzionamento (sotto una certa temperatura il COP diminuisce); i costi dell energia elettrica; i costi dell energia termica; la possibilità di utilizzare l impianto pompa di calore come impianto di condizionamento nella stagione calda (N.B.: usare solo l impianto pompa di calore nella stagione fredda in genere non è conveniente). 5di 14

6 CONFRONTO POMPA DI CALORE- CALDAIA PER RISCALDAMENTO AMBIENTI La pompa di calore è interessante nei casi in cui: 1) il costo del combustibile è elevato rispetto a quello dell energia elettrica (settore non industriale); 2) sono disponibili acque naturali da usare come pozzo termico al posto dell aria esterna. Attingendo acqua da un pozzo o da un lago si riducono i cali drastici della temperatura di evaporazione durante la stagione fredda, in quanto la temperatura dell acqua non può mai scendere sotto lo 0 C. 3) il carico termico invernale è inferiore a quello estivo (ad esempio per locali da riscaldare nei quali si registra in inverno un affollamento di persone - grandi magazzini - o si hanno altre sorgenti di calore). 6di 14

7 CONFRONTO POMPA DI CALORE- CALDAIA PER RISCALDAMENTO AMBIENTI La pompa di calore sfrutta lo stesso ciclo frigorifero dei refrigeratori. L utilizzo di questi ultimi per il condizionamento è molto frequente ed è raro trovare un sistema a pompa di calore che non permetta l inversione del funzionamento. Il dimensionamento dell impianto viene eseguito e ottimizzato per le condizioni di funzionamento estive. Essendo però solitamente più elevato il carico invernale (in particolare nelle regioni del Nord Italia), in tale periodo si deve ricorrere a un integrazione tramite caldaia tradizionale o, in mancanza di combustibile, tramite sistemi che impiegano resistenze elettriche. Al contrario, quando ci si trova in condizioni di carico invernale inferiore a quello estivo, non risulta necessaria la presenza di ulteriori sistemi di riscaldamento. 7di 14

8 CONFRONTO POMPA DI CALORE- CALDAIA PER RISCALDAMENTO AMBIENTI Nel caso in cui l utente abbia sia esigenze di riscaldamento invernale, sia esigenze di raffrescamento estivo, può essere conveniente l acquisto di un refrigeratore funzionante anche a pompa di calore e di una caldaia da utilizzare in inverno in parallelo alla pompa di calore e quindi di potenza inferiore rispetto a una soluzione di riscaldamento esclusivamente mediante combustibile. In questo modo, inoltre, si può scegliere, a seconda delle tariffe e delle condizioni ambientali, se utilizzare solo la pompa di calore, solo la caldaia, o entrambe. 8di 14

9 Un ciclo ideale è completamente reversibile: nessuna caduta di pressione per attrito; il refrigerante fluisce a pressione costante attraverso il condensatore e l evaporatore; la compressione è isoentropica; l espansione è adiabatica. La differenza principale tra ciclo ideale e ciclo reale sta nel processo di compressione. Nel ciclo reale la compressione è solo adiabatica e l entropia aumenta. Le cadute di pressione sono generalmente trascurate. Per rappresentare il ciclo si può usare un diagramma temperatura-entropia o pressione-entalpia. 9di 14

10 EVAPORATORE (processo da 4 a 1 o 1) Quando il refrigerante, come miscela bifase liquido-vapore, passa attraverso l evaporatore, assorbe calore dalla regione fredda e si trasforma in vapore saturo (punto 1 ). Questo succede a pressione e temperatura costanti. La temperatura dell evaporatore deve essere più bassa della temperatura della regione fredda. In pratica, lo stato finale è quello di vapore surriscaldato al punto 1. La quantità di calore per unità di portata massica del refrigerante è: Q in /m = h 1 -h 4 oppure h 1 -h 4 dove: Q in = [W] = potenza asportata dalla regione fredda m = [kg/s] 10 di 14

11 COMPRESSORE (processo da 1 a 2 o 2s) Il refrigerante, nello stato di vapore saturo o surriscaldato, è compresso a temperatura e a pressione più elevate. Il valore di temperatura raggiunto deve essere più alto di quello della regione calda. Nel ciclo ideale, questo processo è isoentropico. Nel ciclo reale il punto finale è 2, al quale corrisponde un entropia maggiore. La potenza in ingresso (potenza meccanica all asse del compressore) per unità di portata massica del refrigerante è: P c /m = h 2s -h 1 oppure h 2 -h 1 L effetto della compressione irreversibile nel ciclo reale può essere considerato introducendo un rendimento isoentropico: η = (h 2s -h 1 )/(h 2 -h 1 ) < 1 Considerando anche il rendimento meccanico del compressore, la potenza necessaria per una compressione reale è 1,3-1,4 volte quella ideale. 11 di 14

12 COMPRESSORE (processo da 1 a 2 o 2s) Il refrigerante passa, attraverso il condensatore, da vapore surriscaldato a vapore saturo e quindi condensa trasferendo calore alla regione calda che deve essere a temperatura più bassa del refrigerante. Lo stato finale è liquido saturo (3 ) o sottoraffreddato (3). La quantità di calore trasferita dal refrigerante all ambiente per unità di potata massica è: Q out /m = h 2 -h 3 oppure h 2 -h 3 12 di 14

13 Calcolo delle prestazioni stagionali Uni metodi di calcolo dei rendimenti sistemi di riscaldamento (tuttavia inadeguato per macchine ad aria) procedura di calcolo semplificata Le due procedure più affidabili e complete sono A) metodo del bilancio termico (codice BLAST) B) tecnica delle funzioni di trasferimento (DOE) 13 di 14

14 Calcolo delle prestazioni stagionali Valutare il comportamento termico di un edificio significa alternativamente calcolare i flussi termici sensibili e latenti che l impianto deve fornire per assicurare le condizioni termoigrometriche negli ambienti oppure valutare le condizioni ambientali determinate dall avere imposto certi flussi termici 14 di 14