Le pompe di calore. Francesca Cappelletti

Transcript

1 Le pompe di calore Francesca Cappelletti

2 Macchine termiche: teoria Una macchina termica utilizza un fluido in un circuito chiuso per scambiare energia meccanica e termica con l ambiente esterno Il secondo principio della termodinamica Enunciato di Clausius E impossibile costruire una macchina operante secondo un processo ciclico il cui unico risultato sia il trasferimento di calore da un corpo a bassa temperatura ad un corpo a temperatura superiore E impossibile operare una qualsiasi trasformazione ciclica il cui unico risultato sia il trasferimento di energia termica da un corpo a temperatura inferiore ad un corpo a temperatura superiore 2

3 Schema di funzionamento Sorgente a temperatura T 1 T 1 > T 2 Effetto termico: calore ceduto q 1 Potenza Meccanica, P m Macchina frigorifera o pompa di calore Effetto termico: calore assorbito q 2 Sorgente a temperatura T 2 T 2 < T 1 3

4 Refrigeratore o pompa di calore? Se l utilizzatore sfrutta l effetto termico q 2 : la macchina è un refrigeratore Se l utilizzatore sfrutta l effetto termico q 1 : la macchina è una pompa di calore ENTRAMBE sono macchine che lavorano con un ciclo inverso a compressione di vapore Per il corretto funzionamento della macchina a ciclo inverso è necessario: disporre di potenza meccanica disporre di condizioni adatte allo scambio termico disporre di un fluido idoneo 4

5 REFRIGERATORI O POMPE DI CALORE? FAN COILS CHILLERS SPLITS 5

6 Che differenza c è tra un refrigeratore e una pompa di calore? REFRIGERATORE (CHILLER): produce acqua refrigerata POMPA DI CALORE (= CHILLER REVERSIBILE): produce acqua refrigerata e acqua calda può sostituire la caldaia nella stagione di riscaldamento e raffrescare d estate. Esternamente si presentano come la stessa macchina, ma i componenti interni sono diversi (ad es. valvola a 4 vie, accumulatore di liquido, ). 6

7 Ciclo base di una pompa di calore Fonte: Aermec 7

8 Dove avviene lo scambio termico? Aria calda Fonte: Aermec 8

9 Dove entra l energia elettrica? Aria calda Fonte: Aermec 9

10 Il ciclo reale a compressione di vapore

11 Componenti principali di una pompa di calore e funzioni Modalità riscaldamento Evaporatore: scambiatore di calore in cui il fluido evapora asportando calore dalla sorgente esterna Compressore: componente meccanico che aspira il fluido refrigerante evaporato e lo comprime innalzandone la pressione e la temperatura Condensatore: scambiatore di calore in cui il vapore condensa cedendo il calore latente di condensazione all ambiente da riscaldare Valvola di laminazione: in cui il condensato si espande diminuendo di pressione e temperatura riportandosi alle condizioni iniziali del ciclo Tubazioni: fungono da collegamento fra i vari organi Valvola a 4 vie: controlla la direzione del flusso di refrigerante nella pompa di calore e cambia la modalità di funzionamento della pompa di calore da modalità di riscaldamento a modalità di raffreddamento e viceversa 11

12 Componenti principali di una macchina frigorifera e funzioni Modalità raffrescamento Evaporatore: scambiatore di calore in cui il fluido evapora asportando calore dall ambiente da refrigerare Compressore: componente meccanico che aspira il fluido refrigerante evaporato e lo comprime innalzandone la pressione e la temperatura Condensatore: scambiatore di calore in cui il vapore condensa cedendo il calore latente di condensazione all ambiente circostante Valvola di laminazione: in cui il condensato si espande diminuendo di pressione e temperatura riportandosi alle condizioni iniziali del ciclo Tubazioni: fungono da collegamento fra i vari organi Valvola a 4 vie: controlla la direzione del flusso di refrigerante nella pompa di calore e cambia la modalità di funzionamento della pompa di calore da modalità di riscaldamento a modalità di raffreddamento e viceversa 12

13 COMPRESSORI SCROLL SCREW A VITE CENTRIFUGO CENTIFUGAL 13

14 Compressori a confronto Elevato COP SCROLL Bassa rumorosità (circa 8db(A) in meno dell alternativo) La compressione avviene con carichi simmetrici (due sacche simmetriche) e ciò riduce al minimo le vibrazioni Ottima qualità del rumore (curva acustica spostata verso le alte frequenze: le più facili da abbattere) Buona resistenza al colpo di liquido Elevata affidabilità. A VITE Regolazione della capacità frigorifera Lunga durata Resistenza ai colpi di liquido Maggiore silenziosità 70% più piccolo di un alternativo 80% più leggero di un alternativo Elevata affidabilità CENTRIFUGO L'uso è limitato ad elevate capacità frigorifere e bassi rapporti di compressione (solitamente grandi chiller ad R134a) Molto silenzioso (no parti in contatto) Senza olio Cuscinetti magnetici: no attrito 14

15 SCAMBIATORI AD ACQUA PLATE A PIASTRE A SHELL FASCIO & TUBE TUBIERO 15

16 SCAMBIATORI AD ARIA AIR COIL (copper pipes / aluminium fins) Axial fan Centrifugal fan 16

17 SCAMBIATORI AD ARIA AIR COIL (microchannel) 17

18 Il fluido refrigerante Il fluido refrigerante è il fluido che deve consentire lo scambio termico a temperature idonee allo scopo. Si sfrutta il calore di scambio durante i processi di evaporazione e di condensazione del fluido, processi che avvengono a temperatura e pressione costante. I derivati del metano e dell etano e le loro miscele consentono di operare a pressioni non troppo basse e non troppo elevate e di avere evaporazione a bassa temperatura e condensazione a temperature dell ordine di alcune decine di C. Possono essere usate miscele di fluidi diversi 18

19 Fluido refrigerante: caratteristiche Non infiammabile, non tossico, non nocivo per l ambiente, non corrosivo per i tubi. Ridotto volume specifico, per diminuire la cilindrata del compressore. Compatibile con gli olii lubrificanti impiegati nei compressori. Bassa temperatura di saturazione alla pressione atmosferica (es. temperatura di saturazione dell ammoniaca alla p atm = C). Valori della pressione di saturazione alle temperature richieste non inferiori a quella atmosferica (per evitare ingressi d aria nel circuito). Elevati valori del calore latente di vaporizzazione alla pressione atmosferica, per ridurre la quantità di fluido presente a parità di effetto termico ottenuto. 19

20 Tipologie di refrigeranti utilizzati Fino a circa venti anni fa erano utilizzati: CFC: clorofluorocarburi totalmente alogenati HCFC: idroclorofluorocarburi parzialmente alogenati FREON L utilizzo incontrollato di questi fluidi ha determinato l assottigliamento della fascia di ozono (O 3 ). CFC: al bando dal Produzione completamente eliminata dal 2010 HCFC: la loro produzione come refrigeranti sarà bandita dal 2030 (2040 nei paesi in via di sviluppo) A seguito del protocollo di Montreal (1992) e successive leggi nazionali applicative (L. 549/93), sia CFC che HCFC sono stati progressivamente eliminati e sostituiti con nuovi fluidi privi di cloro (HFC) a potenziale distruttivo dell ozono nullo, ma che causano l effetto serra. 20

21 HFC 134a (Freon R134a) Refrigerante puro, cioè non ottenuto per miscela, pertanto si mantiene inalterato durante le fasi di condensazione ed evaporazione. Viene considerato un refrigerante di nuova generazione, perché ha influenza trascurabile rispetto all ozono. HFC 407C (R407c) Miscela composta di R32, R125 e R134a. Presenta il problema, comune a molte miscele, di dar luogo all effetto glide, fenomeno che si verifica durante le fasi di condensazione ed evaporazione per cui le pressioni di lavoro rimangono invariate ma i componenti del fluido si separano. HFC 410A (R410a) Miscela composta di R32 e R125 con effetto glide quasi trascurabile. Sostituisce egregiamente l R22 negli impianti di climatizzazione perché ha maggiore resa frigorifera e consente di utilizzare componenti di minori dimensioni. Questo tuttavia è anche uno svantaggio perché impone di riprogettare le macchine.

22 ODP e GWP dei fluidi refrigeranti più comuni

23 Coefficiente di prestazione Il COP (Coefficient of Performance) è il rapporto tra l effetto termico ottenuto (potenza termica immessa in ambiente) e la potenza meccanica scambiata dal compressore P c. q P condensatore 1 COP compressore q P m Un indice analogo è l EER (Energy Efficiency Ratio) che normalmente connota l efficienza della pompa di calore in modalità raffrescamento: qevaporatore q2 EER P P compressore In questo caso il rapporto tra le diverse grandezze è espresso in unità coerenti (es. W/ W) m 23

24 Prestazioni ideali Il valore massimo del coefficiente di prestazione: EER Carnot 1 COP Carnot T1 T2 Con T 1 temperatura della sorgente calda e T 2 temperatura della sorgente fredda. Quanto più il denominatore si avvicina a zero (T 1 = T 2 ) tanto maggiore sarà l efficienza della macchina. Ecco perché l efficienza delle pompe di calore dipende dalle condizioni ambientali esterne (variabilità geografica, variabilità stagionale, ) T 1 T2 T T 2 24

25 I carichi parziali Una macchina funziona a pieno carico per meno del 5% delle ore di funzionamento stagionali SEER (Seasonal Energy Efficiency Ratio) è l indice di prestazione energetica stagionale di una macchina frigorifera determinata in condizioni standard di riferimento PE % EER100% PE75% EER75% PE50% EER SEER 100 PE peso energetico: è un valore tabellato (vedi refrigeratori) % PE25% EER25% EER è calcolato nelle condizioni standard Analogamente SCOP (Seasonal Coefficient of Performance) è il coefficiente di prestazione energetica stagionale di una pompa di calore determinato in condizioni standard di riferimento. 25

26 Condizioni standard Evaporatore Temp. uscita 7 C Salto termico DT Fattore di sporcamento 5 K 0,018 m 2 K/kW Condensatore Salto termico DT 5 K Condizioni in parzializzazione Fattore di sporcamento Peso energetico PE Tingresso Evaporatore Aria ingresso condensatore 0,043 m 2 K/kW Acqua ingresso Condensatore Carico 100% 3% 12 C 35 C 30,0 C Carico 75% 33% 12 C 31,3 C 26,0 C Carico 50% 41% 12 C 27,5 C 22,0 C Carico 25% 23% 12 C 23,8 C 18,0 C 26

27 CLASSIFICAZIONE DELLE POMPE DI CALORE Le pompe di calore sono macchine termiche che operano trasferendo calore da una sorgente fredda ad una calda. Le macchine presenti sul mercato hanno comunemente campi di azione tra gli 0 C ed i 120 C e possono quindi essere impiegate per il riscaldamento ambiente, per la produzione di acqua calda sanitaria e per i processi industriali che necessitino di calore a bassa temperatura. Ogni pompa di calore ha due scambiatori di calore: - Uno scambiatore ad acqua dal lato impianto - Uno scambiatore (aria o acqua) dal lato della sorgente esterna A seconda del tipo di sorgente esterna con cui scambia lo scambiatore di calore abbiamo: - Pompa di calore con sorgente ad aria (air source heat pump) - Pompa di calore con sorgente ad acqua (water source heat pump) 27

28 CLASSIFICAZIONE DELLE POMPE DI CALORE aria aria: si riscalda aria (condensatore) attingendo calore da altra aria (evaporatore) aria acqua: si riscalda acqua (condensatore) attingendo calore da aria (evaporatore) acqua acqua: si riscalda acqua (condensatore) attingendo calore da altra acqua (evaporatore) acqua aria: si riscalda aria (condensatore) attingendo calore da acqua (evaporatore) Al posto dell acqua può essere usata salamoia (brine) Possono funzionare come macchine frigorifere (reversibilità) 28

29 CLASSIFICAZIONE DEI SISTEMI IMPIANTISTICI CON POMPE DI CALORE - Sistemi a espansione diretta: un sistema ad espansione diretta è un sistema di distribuzione dell energia termica per il riscaldamento dei locali per mezzo di tubazioni, nei quali non circola acqua calda o fredda, come nei sistemi tradizionali definiti idronici, ma un gas refrigerante, proveniente da una unità di produzione termofrigorifera esterna, dotata di compressore. Esempio di questa tipologia sono i sistemi split (pompa aria-aria) - Sistemi idronici: la pompa di calore produce acqua calda/fredda che viene inviata ai terminali di impianto per il riscaldamento o il raffrescamento degli ambienti. Esempio di questa tipologia sono i chiller accoppiati a terminali come i ventilconvettori (pompa aria-acqua o acqua-acqua) o impianti radianti a pavimento o soffitto. 29

30 Pompe di calore con sorgente ad aria Durante la stagione di riscaldamento: estraggono il calore dall aria esterna. Durante la stagione di raffrescamento: riversano il calore nell aria esterna. Si distinguono due tipologie: 1) Pompa di calore ARIA-ARIA: estrae il calore dall aria e lo trasferisce all interno o all esterno dell edificio a seconda della stagione 2) Pompa di calore ARIA-ACQUA: che è usata in edifici con sistemi di distribuzione idronici. Durante la stagione di riscaldamento la pompa di calore prende il calore dall aria esterna e lo trasferisce all acqua che circola nel circuito idronico. Nella stagione di raffrescamento, il processo si inverte: la pompa di calore estrae il calore dall acqua del sistema di distribuzione e lo espelle all esterno. 30

31 Pompe di calore con sorgente ad aria Il 95% delle di pompe di calore installate in Italia utilizza come sorgente fredda l aria e in particolare l 84% dei pezzi (il 58% in termini di fatturato) è costituito dalla tipologia aria/aria. All interno di questa tipologia, lo schema più diffuso prevede l utilizzo di split. Le pompe di calore di tipo aria-acqua totalizzano sul mercato italiano solamente il 12% in termini di pezzi venduti, ma, considerando il fatturato totale, realizzano una quota pari al 37%. Questo perché si tratta di macchine medio-grandi (20-30 kw in media contro i 5-10 delle macchine aria-aria) che costano mediamente 4-5 volte di più delle apparecchiature aria-aria. 31

32 Pompa di calore con sorgente ad aria: aria-aria Ciclo in modalità riscaldamento Fonte: Natural Resources Canada 32

33 Pompa di calore con sorgente ad aria: aria-aria Ciclo in modalità raffrescamento Fonte: Natural Resources Canada Fonte: Natural Resources Canada 33

34 Prestazioni delle pompe di calore ad aria Variano con la temperatura dell aria esterna. Per q ext = 10 C, il COP è tipicamente pari a 3. Fonte: Natural Resources Canada 34

35 Pompe di calore aria-acqua 35

36 Pompe di calore con sorgente ad acqua: acqua-acqua Sfruttano l acqua come sorgente di calore in inverno e come serbatoio per il calore rimosso dall edificio in estate. 36

37 Vantaggi delle pompe di calore con sorgente ad acqua Maggiore efficienza delle pompe di calore con sorgente ad aria. Rispetto dell estetica dell edificio perché possono essere posizionate in vani tecnici. Minore rumore. Minori spazi di installazione. 37

38 Range di potenze per pompe di calore ad aria LOW CAPACITY: < 50 kw MEDIUM CAPACITY: kw HIGH CAPACITY: > 200 kw 38

39 Range di potenze per pompe di calore ad acqua LOW CAPACITY: < 50 kw MEDIUM CAPACITY: kw HIGH CAPACITY: > 200 kw 39

40 Sistemi geotermici I sistemi geotermici sono tecnologie per il riscaldamento o il raffrescamento che trasferiscono il calore dal terreno o da acqua di falda per la climatizzazione ambientale e per la produzione di acqua calda sanitaria. La prima applicazione risale al 1912, anno del deposito di un brevetto per un sistema geotermico in Svizzera. La diffusione su larga scala risale tuttavia al A partire dagli anni 80 si hanno miglioramenti significativi delle efficienze e dei campi operativi delle pompe di calore, accompagnati da migliori materiali per i circuiti a terreno.

41 Sistemi geotermici Il calore è rimosso dal terreno usando un liquido (acqua di falda o una soluzione con anti-gelo); la temperatura del liquido è innalzata dalla pompa di calore e il calore è trasferito all aria interna. Durante i mesi estivi il processo si inverte: il calore è prelevato dall aria interna e trasferito al terreno attraverso l acqua di falda o la soluzione. Varianti. - Sistemi geotermici a espansione diretta: gas refrigerante dentro scambiatore inserito nel terreno - Sistemi geotermici accoppiati a sistemi idronici o ad aria forzata - Sistemi geotermici per solo riscaldamento con raffrescamento passivo (l acqua è inviata nel terreno senza usare la pompa di calore per raffreddarla)

42 Sistemi geotermici Componenti circuito di tubi all esterno dell edificio (scambiatore di calore); pompa di calore all interno dell edificio 42

43 Sistemi geotermici Circuito di tubi all esterno dell edificio (scambiatore di calore). Può essere aperto: l acqua prelevata dal pozzo è inviata direttamente nello scambiatore di calore della pompa di calore; l acqua poi viene reimmessa in un pozzo separato o in un corso d acqua superficiale. Può essere chiuso: unico anello chiuso sotterrato nel terreno. La soluzione antigelo che è refrigerata dalla pompa di calore circola nel terreno e assorbe calore. 43

44 Sistemi geotermici Alcuni sistemi geotermici sono costituiti da 3 componenti: - La pompa di calore - Il circuito per lo scambio del calore (a sistema aperto o ad anello) - Il sistema di distribuzione dell aria (canalizzazioni) 44

45 Sistemi geotermici aperti con sorgente ad acqua di falda L acqua prelevata dalla falda è inviata alla pompa di calore che ne estrae il calore. Successivamente l acqua «usata» è scaricata nella falda lontano dal punto di prelievo, oppure in un altro bacino, in un torrente o in un lago. Effetto: immissione di acqua leggermente più calda o più fredda. Misura: 10 kw di potenza termica l/s di acqua 45

46 Sistemi geotermici a circuito chiuso: verticale Una soluzione anti-gelo o un gas refrigerante scorrono in un circuito chiuso che viene interrato: il fluido si carica di calore quando passa sotto terra all interno di tubazioni in plastica o in rame (nel caso di sistemi a espansione diretta). Il circuito è chiuso, quindi il fluido refrigerante o la soluzione anti-congelamento non vengono scaricate ma continuano a circolare nei tubi pressurizzati. Fori da circa 15 cm e profondità da 18 a 60 m. 46

47 Le sonde geotermiche Lo scambio di calore con il terreno avviene tramite la sonda di captazione, installata con una perforazione del diametro di pochi centimetri, in un foro scavato accanto all'edificio, invisibile dopo la costruzione. Il numero delle sonde geotermiche e la profondità d'installazione (da 50 a 150 metri) variano in funzione dell'energia termica richiesta. Ogni sonda è formata da due moduli ciascuno dei quali costituito da una coppia di tubi in polietilene uniti a formare un circuito chiuso (un tubo di "andata" e uno di "ritorno") all'interno dei quali circola un fluido glicolato (miscela di acqua e anticongelante non tossico). I tubi delle sonde sono collegati in superficie ad un apposito collettore connesso alla pompa di calore.

48 Sistemi geotermici a circuito chiuso: orizzontale Il circuito di sonde si sviluppa in orizzontale ad una profondità di 1-2 m. Tubi in polietilene o polibutilene per fluido anticongelante. Tubi in rame per sistemi a espansione diretta. Durata delle tubazioni: anni. 48

49 Efficienza delle pompe di calore geotermiche 49

50 La temperatura del terreno

51 I vantaggi sono primariamente legati ai più elevati livelli termici del terreno rispetto a sorgenti termiche quali l aria ambiente.

52 Pompe di calore a confronto Pompa di calore ideale Sistemi geotermici Pompa di calore ad aria ad alta efficienza Pompa di calore ad aria standard

53 53

54 54

55 Legislazione: agevolazioni Decreto Ministero Sviluppo Economico 7 Aprile 2008 Finanziamento del 55% delle spese per gli interventi di sostituzione di impianti di climatizzazione invernale con impianti dotati di pompa di calore ad alta efficienza ovvero con impianti geotermici a bassa entalpia. Il D.M. introduce limiti per i valori prestazionali. Decreto 28 dicembre 2012 Incentivazione della produzione di energia termica da fonti rinnovabili ed interventi di efficienza energetica di piccole dimensioni. Art. 4 Sono incentivabili : a) Sostituzione di impianti di climatizzazione invernale esistenti con impianti di climatizzazione dotati di pompe di calore elettriche o a gas, utilizzanti energia aerotermica, geotermica o idrotermica. 55

56 Requisiti in riscaldamento: valori minimi di COP 56

57 Requisiti in raffrescamento: valori minimi di EER DM 7 aprile