POMPE DI CALORE. Introduzione

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1 POMPE DI CALORE Introduzione In impianto tradizionale di riscaldamento si utilizza il potere calorifico di un combustibile (gasolio, metano, legno, carbone, ecc.) per riscaldare a bassa temperatura dei corpi scaldanti, che a loro volta cedono calore all ambiente. Il rendimento di primo principio di questo sistema è molto alto, dell ordine del %. Quest analisi, però, è soddisfacente solo dal punto di vista economico (non per niente qualcuno definisce il rendimento di primo principio: coefficiente economico). In realtà noi utilizziamo un energia pregiata (in altre parole un energia ad alta temperatura dalla quale potremmo ricavare lavoro) per ottenere del calore, che, in termini di secondo principio, è la forma più degradata d energia. In questo caso sarebbe più corretto considerare il rendimento exergetico (o detto anche termodinamico) della trasformazione. Da un analisi di questo tipo risulterebbe che è più conveniente utilizzare per il riscaldamento dei sistemi a bassa temperatura. Uno di questi sistemi è quello delle pompe di calore. Le pompe di calore sono delle macchine che funzionano attraverso dei cicli termodinamici inversi; dei cicli che ricevono lavoro e trasferiscono calore dalla sorgente fredda a quella calda. Le pompe di calore sono essenzialmente di due tipi: a ciclo a vapore surriscaldato ad assorbimento Per ragioni di tempo considereremo solo quelle a vapore surriscaldato. Il loro ciclo termodinamico è assolutamente uguale a quello dei frigoriferi. La sostanziale differenza consiste nel fatto che nei frigoriferi ci interessa il calore sottratto alla sorgente fredda, mentre nelle pompe di calore interessa il calore ceduto alla sorgente calda. Ciò comporta in pratica solo una differenza sul T tra la sorgente calda e quella fredda. In figura 1 si può osservare lo schema d impianto di una pompa di calore. La pompa è composta dai seguenti componenti: Figura 1: Schema d impianto di una pompa di calore. 1

2 Evaporatore: assorbe il calore Q 0 da una sorgente fredda, facendo evaporare il fluido frigorigeno. Compressore: comprime il fluido frigorigeno, che deve essere tutto in fase gassosa, fino alla pressione corrispondente alla temperatura di saturazione presente nel condensatore spendendo il lavoro L. Condensatore: fa condensare il fluido frigorigeno, cedendo all ambiente il calore Q 1, somma di Q 0 e L. Valvola di laminazione: attraverso una laminazione (trasformazione irreversibile ed isoentalpica) riporta la pressione a quella dell evaporatore. In Figura 2 sono rappresentati i diagrammi corrispondenti nel piano (p, h) e in quello (T, s). In realtà, a causa delle irreversibilità esterne, la temperatura al condensatore dovrà essere maggiore di quella dell ambiente interno e quella all evaporatore dovrà essere superiore a quella della sorgente fredda. Per valutare l efficienza di un ciclo inverso non ha più senso riferirsi al rendimento di primo principio. Questo perché non si spende calore, ma lavoro al compressore, e ciò che vogliamo ottenere è l asportazione di calore da una sorgente fredda (ciclo frigorifero) o la cessione di calore ad una sorgente calda (pompe di calore). Figura 2: Ciclo pompa di calore Si utilizza allora un altro coefficiente, definito coefficiente di effetto utile, COP (Coefficient of Performance). Per i frigoriferi: Per le pompe di calore Si può facilmente dimostrare che: = Q COP fr 0 L Q1 COP pc = L 2

3 COP pc = COP fr + 1 Se consideriamo una pompa di calore alimentata da un motore elettrico, dobbiamo considerare che il rendimento globale di distribuzione alla nostra presa di corrente, η e, (rendimento del ciclo, rendimento meccanico della turbina, rendimento del generatore di calore, rendimento elettrico dell alternatore, rendimento di distribuzione dell energia elettrica) è dell ordine del %. Confrontando la pompa di calore con una caldaietta domestica a gas (η c = 0,9) avremo convenienza energetica al suo uso quando: COP pc η > η c e = 0,9 0,3 0,35 = 2,6 3 Per la convenienza economica bisogna tener conto che i costi sono fissati per motivi politici e contingenti. Motori primi Negli impianti di piccola e media potenza il compressore è di solito mosso da motori elettrici a più poli al fine di adattare la pressione al carico termico. I motori a 2 poli essendo veloci si adattano molto bene a muovere i compressori centrifughi e a vite. Negli impianti di alta potenza di solito si utilizzano compressori a vite. Per azionare queste macchine vanno molto bene i motori a combustione interna. Infatti, queste macchine si adattano molto bene al carico, in quanto possono variare la loro velocità di rotazione in un ampio range, mantenendo una curva di coppia e di potenza ottimali. L utilizzo di motori endotermici consente, inoltre, di recuperare il calore ceduto dai fluidi di raffreddamento e lubrificazione e dai gas di scarico. In alcuni casi, per ottenere un sistema più elastico si preferisce accoppiare il motore ad un alternatore e con questo alimentare la pompa di calore. L eccesso di energia elettrica prodotta può essere utilizzata per alimentare altre apparecchiature. Fluidi frigorigeni Nei grossi impianti centralizzati e industriali si utilizza l ammoniaca che presenta delle buone caratteristiche termodinamiche. Il suo problema consiste nel fatto che è velenosa. Negli altri casi si utilizzano i Freon del tipo HFC (idro fluoro carburi), cioè fluidi senza C l, che provoca l effetto serra. Gli HCFC (idro cloro fluoro carburi) sono vietati dal 1 gennaio del 2001 per refrigeratori e pompe di calore con potenzialità superiore ai 100 kw dal 1 luglio 2002 per i refrigeratori con potenzialità inferiore a 100 kw e dal 1 gennaio 2004 per le pompe di calore con potenzialità inferiore a 100 kw. Inoltre dal gennaio 2010 non potranno più essere utilizzati gli HCFC neppure per la manutenzione degli impianti esistenti e dal gennaio 2015 non si potranno più utilizzare in alcun caso. Le sorgenti calde e fredde Le principali sorgenti sono riportate in Figura 3. 3

4 Figura 3: Principali sorgenti calde e fredde. La scelta delle sorgenti dipende moltissimo dall applicazione. In Figura 4 sono rappresentate le principali configurazioni delle pompe di calore. 4

5 Figura 4 : Principali tipi di pompe di calore. L aria come sorgente fredda ha il vantaggio di essere disponibile ovunque; tuttavia la potenza resa dalla pompa di calore diminuisce con la temperatura della sorgente. Nel caso si utilizzi l'aria esterna, è necessario (intorno ai 5 o C), un sistema di sbrinamento che comporta un ulteriore consumo di energia. 5

6 Diverso e più vantaggioso, è l'impiego come sorgente fredda dell'aria interna viziata (aria estratta) che deve essere comunque rinnovata. L'acqua come sorgente fredda garantisce le prestazioni della pompa di calore senza risentire delle condizioni climatiche esterne; tuttavia richiede un costo addizionale dovuto al sistema di adduzione. Il terreno, come sorgente fredda ha il vantaggio di subire minori sbalzi di temperatura rispetto all'aria. Le tubazioni orizzontali vanno interrate ad una profondità minima da 1 a 1,5 metri per non risentire troppo delle variazioni di temperatura dell'aria esterna e mantenere i benefici effetti dell'insolazione. È necessaria una estensione di terreno da 2 a 3 volte superiore alla superficie dei locali da riscaldare. Si tratta quindi di una soluzione costosa, sia per il terreno necessario che per la complessità dell'impianto. Applicazioni della pompa di calore Le possibili applicazioni della pompa di calore sono: Climatizzazione degli ambienti È ormai attuale l'applicazione della pompa di calore per la climatizzazione degli ambienti nel settore residenziale e nel terziario (esercizi commerciali di medie dimensioni; parrucchieri; cucine di ristoranti; studi professionali), in alternativa ai sistemi convenzionali composti da refrigeratore più caldaia. La stessa macchina infatti, mediante una semplice valvola, è in grado di scambiare tra loro le funzioni dell'evaporatore e del condensatore, fornendo così calore in inverno e freddo in estate (tipo Invertibile). L'applicazione della pompa di calore alla climatizzazione ambientale (riscaldamento + raffrescamento) è la più conveniente poiché comporta un minor tempo di ammortamento del costo d'impianto rispetto ad un utilizzo per il solo riscaldamento. Nel caso di edifici esistenti, l'applicazione della pompa di calore per il condizionamento degli ambienti, sia invernale che estivo, richiede un intervento di ristrutturazione dell'intero impianto termico ed elettrico, con conseguente maggior costo. Diverse sono le applicazioni della pompa di calore nei settori terziario e industriale, ad esempio: la climatizzazione delle piscine, l'essiccazione e processi tecnologici a bassa temperatura nell'industria agro-alimentare, ecc. Riscaldamento degli ambienti e dell"acqua sanitaria La pompa di calore può essere utilizzata anche per la sola produzione di calore per il riscaldamento degli ambienti e dell'acqua sanitaria. In questi casi vanno attentamente valutati gli aspetti economici rispetto ai sistemi tradizionali quali caldaie e scaldabagni elettrici o a gas. Per il riscaldamento degli ambienti gli impianti possono essere di tipo: Monovalente Bivalente Si utilizza la configurazione monovalente quando la pompa di calore è in grado di coprire interamente il fabbisogno termico necessario al riscaldamento degli ambienti. Se la pompa di calore usa come sorgente l'aria esterna, tale configurazione è adottabile nelle zone climatiche dove la temperatura esterna scende raramente sotto ai 5 o C. In caso contrario si deve realizzare un sistema bivalente, costituito dalla pompa di calore e da un sistema di riscaldamento ausiliario, cioè una caldaia tradizionale che copra il fabbisogno termico quando la temperatura dell'aria scende solo al di sotto di 5 o C. 6

7 Per il riscaldamento dell'acqua sanitaria occorrono serbatoi di accumulo più grandi di quelli impiegati nei normali scaldacqua in quanto la temperatura dell'acqua prodotta non supera i 550 C. Funzionamento a carico parziale Il funzionamento a carico parziale è fondamentale per la valutazione economica dell impianto, in quanto raramente un impianto funziona nelle condizioni di progetto. Il COP dipende da numerosi fattori: La temperatura di condensazione e di evaporazione. Diminuisce all aumentare del salto termico. La temperatura delle sorgenti fredde e calde. La costruzione della pompa di calore. Il tipo di impianto di regolazione. Il sistema impiantistico in cui è inserita la pompa di calore I primi due punti sono collegati assieme. Che il COP diminuisca all aumentare del salto termico si vede facilmente considerando una macchina di Carnot che funzioni come pompa di calore. Il COP per una macchina di Carnot vale: T1 COP = T T 1 0 Se a causa delle irreversibilità esterne siamo costretti ad aumentare il salto termico tra la temperatura di condensazione, T 1, e la temperatura della sorgente calda e tra la temperatura della sorgente fredda e quella di evaporazione, T 0, automaticamente peggioriamo il COP della pompa. Da questo consegue che bisogna progettare con attenzione l evaporatore e il condensatore e cercare di mantenerli puliti. In carico parziale bisogna ridurre il salto di pressione nella macchina. Per far questo bisogna usare delle valvole di by-pass, con inevitabile decadimento dell efficienza. Per tale motivo, se si prevede di lavorare per lungo tempo a carichi ridotti è bene installare due macchine diverse. Le irreversibilità influenzano notevolmente il COP; bisogna, quindi, porre particolare attenzione alla progettazione dei singoli componenti, soprattutto del compressore. 7