LE POMPE DI CALORE Considerazioni tecniche ed energetiche Unità di misura La potenza di una macchina frigorifera, così come quella di una macchina termica (ad es. una caldaia) deve essere misurata in chilowatt [kw] Tradizionalmente si trovano anche informazioni tecniche in cui la potenza è espressa in BTU/h 1kW è approssimativamente pari a 3400 BTU/h Se si misura la potenza in BTU/h, l energia si misura in BTU 1
Il ciclo frigorifero In natura il calore si trasmette da un corpo a temperatura più elevata ad un corpo a temperatura più bassa. Una macchina frigorifera permette di trasferire del calore da una sorgente a temperatura più fredda ad una a temperatura più calda, invertendo lo scambio naturale. Questa trasformazione non è mai spontanea, ma richiede la fornitura di energia (normalmente lavoro meccanico) dall ambiente esterno al sistema che opera il ciclo. L esempio più evidente è il frigorifero domestico: dal vano alimenti viene trasferito del calore all ambiente della cucina. Il vano alimenti è la sorgente fredda del frigorifero, e la cucina è la sorgente calda. Il ciclo frigorifero Lo scopo del frigorifero domestico è proprio quello di sottrarre calore al vano alimenti. Il fatto che la macchina ceda poi energia termica all ambienteambiente viene generalmente considerato un effetto secondario, ma è in realtà di grande importanza, sia dal punto di vista tecnico che energetico. Dalla termodinamica sappiamo che questo scambio di calore è possibile solo fornendo energia ad un sistema frigorifero. 2
Il ciclo frigorifero Sorgente fredda Sorgente calda Condensatore: scambiatore di calore tra fluido refrigerante e sorgente calda Evaporatore: scambiatore di calore tra fluido refrigerante e sorgente fredda L organo di laminazione nelle macchine frigorifere è generalmente costituito da una valvola termostatica Il ciclo frigorifero 1. Compressore 2. Condensatore 3. Organo di laminazione 4. Evaporatore Nell evaporatore il fluido refrigerante ha una temperatura inferiore a quella della sorgente fredda per cui si ha un trasferimento naturale di calore dalla seconda al primo. Nel condensatore il fluido refrigerante si trova ad una temperatura superiore a quella della sorgente calda alla quale è pertanto in grado di cedere calore Compressore ed organo di laminazione hanno lo scopo di portare il refrigerante nelle condizioni richieste per consentire i due rispettivi scambi 3
Il ciclo frigorifero 1. Compressore 2. Condensatore 3. Organo di laminazione 4. Evaporatore Il trasferimento del calore avviene attraverso un cambio di fase del refrigerante: nel condensatore esso passa dalla fase vapore alla fase liquida (il fluido condensa) Nell evaporatore il fluido passa dalla fase liquida alla fase vapore (il fluido evapora) Questi cambi di fase devono avvenire a temperature diverse: più elevata al condensatore, più bassa all evaporatore. Il ciclo frigorifero 1. Compressore 2. Condensatore 3. Organo di laminazione 4. Evaporatore Consideriamo un refrigeratore condensato ad aria, che produca acqua a 7 C con aria esterna a 35 C. La temperatura di cambio di fase all interno del condensatore (temperatura di condensazione) è di circa 50 C e la temperatura di cambio di fase all interno dell evaporatore (temperatura di evaporazione) è di circa 2 C 4
Il ciclo frigorifero Ricorrendo ad un esempio derivato dall esperienza quotidiana, sappiamo che l acqua evapora a 100 C solo se si trova alla pressione atmosferica. Dopo aver raggiunto la temperatura di evaporazione, l acqua si mantiene alla stessa temperatura t fintanto t che non è completamente t evaporata Se la pressione è inferiore l acqua evapora a temperatura più bassa: infatti, la pasta non cuoce bene in alta montagna perché la temperatura massima raggiunta dall acqua è inferiore a quella a livello del mare. Viceversa, se la pressione è superiore a quella atmosferica, l evaporazione avviene a temperatura maggiore. Su questo principio si basa la pentola a pressione: il cibo cuoce più in fretta perché la temperatura raggiunta dall acqua è superiore ai 100 C. Il ciclo frigorifero 1. Compressore 2. Condensatore 3. Organo di laminazione 4. Evaporatore Nel ciclo frigorifero il refrigerante si trova a due pressioni diverse: nel condensatore più alta, e nell evaporatore più bassa. I valori di queste pressioni dipendono dal tipo di refrigerante. Il compressore ha il compito di innalzare la pressione del refrigerante dal valore di evaporazione a quella di condensazione, l organo di laminazione ha la funzione contraria. A valle del compressore fino a monte della valvola termostatica, il circuito si trova in alta pressione, a valle della termostatica fino a monte del compressore si trova in bassa pressione 5
Il ciclo frigorifero 1. Compressore 2. Condensatore 3. Organo di laminazione 4. Evaporatore E possibile un passaggio di calore dalla sorgente fredda, a temperatura inferiore, alla sorgente calda, a temperatura superiore, solamente fornendo al sistema l energia lenergia per comprimere il refrigerante dalla pressione di evaporazione a quella di condensazione. Se il fluido refrigerante non cambiasse di stato nel condensatore e nell evaporatore, il ciclo frigorifero funzionerebbe ugualmente, ma il compressore dovrebbe essere molto più grande perché dovrebbe muovere una maggiore quantità di refrigerante Il ciclo frigorifero Il ciclo frigorifero può essere rappresentato in un diagramma pressione entalpia specifica. L entalpia specifica è misurata in kj/kg e rappresenta un energia specifica: l equivalente termodinamico dell energia potenziale meccanica. Un oggetto, di massa m posto ad un altezza h, ha un energia potenziale tanto maggiore quanto più è pesante (m elevato) e quanto più è posto in alto (h elevata) Allo stesso modo, una sostanza ha un energia potenziale determinata dalla sua entalpia, funzione della sua pressione, temperatura e stato. 6
Il ciclo frigorifero La campana è divisa in due parti divise dal vertice, in cui si trova il punto critico dove il refrigerante si trova in equilibrio tra la fase liquida e la fase vapore: nei punti sulla curva a sinistra del punto critico, il refrigerante si trova nelle condizioni di liquido nei punti sulla curva a destra del punto critico, il refrigerante si trova nelle condizioni i idi vapore saturo. Il ciclo frigorifero All interno della campana il refrigerante si trova in una fase mista, un po liquido e un po vapore. Il titolo rappresenta la percentuale di vapore sulla quantità totale di massa di refrigerante. Nella curva con valore 0.2, il vapore rappresenta in massa il 20% del totale. 7
Il ciclo frigorifero Sul diagramma pressioneentalpia, il ciclo frigorifero viene rappresentato come in figura. Il ciclo frigorifero e la pompa di calore Un ciclo frigorifero trasferisce sempre del calore da una sorgente a temperatura inferiore (sorgente fredda) ad una a temperatura superiore (sorgente calda). Quindi il ciclo è in grado sia di raffreddare la sorgente fredda a contatto con l evaporatore, sia di riscaldare la sorgente calda a contatto con l evaporatore. Quando lo scopo del sistema è quello di raffreddare la sorgente fredda si parla di frigorifero, mentre quando lo scopo è quello di riscaldare la sorgente calda si ha una pompa di calore. La stessa macchina può essere usata nel periodo estivo come refrigeratore ed in inverno come pompa di calore. Si parla allora di pompa di calore reversibile. In alcuni casi è anche possibile sfruttare simultaneamente sia l effetto frigorifero che il calore prodotto. 8
Il ciclo frigorifero e la pompa di calore Il passaggio dal funzionamento come climatizzatore a quello a pompa di calore comporta solitamente un inversione dei ruoli tra gli scambiatori che fungono da evaporatore e da condensatore. Pompa di calore reversibile in funzionamento invernale Pompa di calore reversibile in funzionamento estivo Il ciclo frigorifero e la pompa di calore Questa inversione viene realizzata con una valvola a quattro vie. Pompa di calore reversibile in funzionamento invernale Pompa di calore reversibile in funzionamento estivo 9
Il ciclo frigorifero e la pompa di calore Il frigorifero domestico, visto dal lato dell evaporatore, quindi dal punto di vista degli alimenti che vi sono conservati, è appunto un frigorifero. Visto dal lato del condensatore, quindi dal serpentino esterno, il frigorifero domestico diventa una pompa di calore. Il diagramma pressione-entalpia di una pompa di calore è assolutamente simile a quello di un normale frigorifero. Normalmente lo scambio termico con l esterno avviene in due scambiatori, in cui la macchina scambia calore con fluidi esterni, di solito aria o acqua. La pompa di calore viene quindi specificata indicando appunto tali fluidi con cui scambia direttamente, riportando per primo il fluido usato come sorgente. Si ha così la pompa di calore aria-aria, aria-acqua, acqua-aria, o acquaacqua. Il ciclo frigorifero e la pompa di calore 10
Il ciclo frigorifero: efficienza del ciclo Con efficienza del ciclo frigorifero si intende il rapporto tra la sua resa utile ed il suo consumo elettrico. Il rapporto può essere fatto tra due potenze (potenza utile resa su potenza assorbita dai compressori) o tra due energie (energia prodotta in un intervallo di tempo su consumo elettrico nello stesso intervallo di tempo) Le perdite del ciclo frigorifero sono dovute a: efficienza degli scambiatori di calore efficienza del ciclo frigorigero rendimento del compressore perdite di pressione nei condotti di aspirazione i e mandata Gli indici energetici utilizzati per definire le prestazioni sono COP (Coefficient Of Performance) ed EER (Energy Efficiency Ratio) Il ciclo frigorifero: efficienza del ciclo L efficienza degli scambiatori di calore Dipende dal fluido trattato, cioè aria o acqua, dal refrigerante impiegato e dall accuratezza della progettazione. Le perdite legate all efficienza degli scambiatori sono dovute al fatto che gli scambiatori (condensatore ed evaporatore) non sono di grandezza infinita. Pertanto, le temperature di condensazione e di evaporazione non corrispondono alle temperature della sorgente calda e di quella fredda. Le temperature del ciclo sono in relazione con le relative pressioni. La differenza tra le condizioni teoriche di lavoro e quelle reali è tanto più bassa quanto maggiore è la superficie e maggiore è l efficienza dello scambio termico degli scambiatori di calore. 11
Il ciclo frigorifero: efficienza del ciclo L efficienza del ciclo frigorifero Dipende dal refrigerante impiegato. Diminuisce all aumentare della temperatura al condensatore e quindi della pressione di condensazione. Si utilizzano, a seconda del caso applicativo, fluidi diversi tra loro per origine, costituzione e caratteristiche. Il refrigerante ideale dovrebbe avere una pressione non troppo bassa alla temperatura dell evaporatore una pressione non troppo alta alla temperatura del condensatore elevato coefficiente di scambio termico Un ridotto salto di pressione tra condensatore ed evaporatore significa un rapporto di compressione inferiore e quindi minore impegno per il compressore. Il ciclo frigorifero: efficienza del ciclo Il rendimento del compressore 12
Il ciclo frigorifero: efficienza del ciclo Il rendimento del compressore Per le basse potenze, ha trovato grande diffusione il compressore scroll, soprattutto nei condizionatori autonomi. Usa due spirali accoppiate (la superiore fissa e l inferiore mobile) per la compressione del gas. L aspirazione è posta in periferia, lo scarico in centro. Vantaggi in termini di efficienza, riduzione del livello sonoro e delle vibrazioni Compressore Copeland Scroll Il ciclo frigorifero: efficienza del ciclo Il rendimento del compressore A pieno carico il rendimento varia per tipo di compressore, in funzione soprattutto del rapporto di compressione, cioè dal dislivello tra le pressioni di aspirazione e mandata. Nella scelta del compressore si deve considerare non solo il rendimento alle condizioni nominali, ma quello nelle reali condizioni di funzionamento. A parità di rendimento massimo, un compressore a vite ottimizzato per un rapporto di compressione di 3,5 ha ottime prestazioni se la pressione di condensazione è alta, cioè se la temperatura dell aria esterna è elevata (circa 35 C), mentre peggiora le proprie prestazioni per temperature basse. Al contrario, un compressore a vite ottimizzato per rc pari a 2,5 lavora con bassi rendimenti ad alte temperature dell aria esterna, migliorandoli al diminuire della temperatura. Il rendimento dei compressori varia poi con la percentuale di carico. 13
COP (Coefficient Of Performance) È un indicatore dell efficienza energetica di un ciclo frigorifero Può essere utilizzato sia per il funzionamento in ciclo estivo sia per quello in ciclo invernale. È espresso dalle formule: per il ciclo estivo COP = P f /A per il ciclo invernale COP = P t /A P f = potenza frigorifera resa all evaporatore espressa in kw P t = potenza termica resa al condensatore espressa in kw A = potenza elettrica assorbita dal compressore espressa in kw Devono essere precisate le condizioni i i alle quali viene dichiarato il valore di COP Nella pratica quotidiana i valori di COP dichiarati dai costruttori sono comprensivi anche del consumo elettrico dei ventilatori, per le macchine condensate ad aria. Pertanto A è la somma della potenza assorbita dai compressori e dai ventilatori. EER (Energy Efficiency Ratio) Può essere utilizzato solo per il ciclo estivo. EER = P f /A P f = potenza frigorifera if può essere espressa in kw o in BTU/h o altre unità di misura A = potenza elettrica assorbita dal compressore espressa in kw Diversamente dal COP, è necessario sempre far riferimento all unità di misura utilizzata Ultimamente in Europa si tende ad utilizzare EER per indicare l efficienza in funzionamento estivo e COP per indicare l efficienza i invernale. Nella pratica quotidiana i valori di EER dichiarati dai costruttori sono comprensivi anche del consumo elettrico dei ventilatori, per le macchine condensate ad aria. Pertanto A è la somma della potenza assorbita dai compressori e dai ventilatori. 14
Il ciclo frigorifero e la pompa di calore: massima efficienza teorica 1. Compressore 2. Condensatore 3. Organo di laminazione 4. Evaporatore Il valore massimo di efficienza raggiungibile da un ciclo frigorifero ideale che lavori con temperatura di condensazione T c e temperatura di evaporazione T e è dato da: Te COPTH = Tc Te N.B.: le temperature T c e T e sono espresse in gradi Kelvin [K] COP TH Te = T T Se t E = 2 C e t C = 50 C c e COP TH 273,15 + 2 = = 5,74 50 2 Se t E = 4 C e t C = 50 C T condensatore COP TH 273,15 + 4 = = 6,03 50 4 Se t E = 4 C e t C = 40 C T evaporatore 273,15 + 4 COP TH = = 7,70 40 4 15
COP = COP TH ε E ηc Il ciclo frigorifero e la pompa di calore: efficienza reale e E dipende dal refrigerante h C è il rendimento del compressore Per un refrigeratore condensato ad aria si passa da un valore di COP teorico di circa 6 ad un valore reale di circa 3,66 Per un refrigeratore condensato ad acqua si può passare da un valore di COP teorico di circa 7,6 ad un valore reale di circa 5,5 5 Solitamente, i limiti di COP reali sono di circa 3,9 per le macchine condensate ad aria e di circa 5,5 per le macchine condensate ad acqua. Il ciclo frigorifero: efficienza energetica stagionale È fondamentale fare riferimento non solo alle condizioni di funzionamento nominali, ma considerare le prestazioni nella media stagionale, ipotizzando cioè il funzionamento dei gruppi frigoriferi nella realtà dell impianto. Pertanto i valori di EER e COP indicati a catalogo dai costruttori non sono sempre attendibili per quanto riguarda l efficienza stagionale di queste macchine. Infatti, nel suo funzionamento nel corso dell anno il gruppo frigorifero lavora a pieno carico per brevi periodi, mentre per la maggior parte del tempo lavora riducendo la propria potenza. 16
Il ciclo frigorifero: efficienza energetica stagionale La regolazione dell energia fornita da un circuito frigorifero avviene in genere in due modi distinti: attivando e disattivando il compressore (regolazione On Off) modificando la portata volumetrica del compressore Nel primo caso si parla comunemente di circuiti frigorigeri con un solo gradino di parzializzazione, mentre nel secondo caso si parla di circuiti frigoriferi con due o più gradini di parzializzazione, oppure di compressori mossi da motori a velocità variabile (con inverter). Dal punto di vista energetico, le conseguenze di una scelta o dell altra sull efficienza del ciclo sono notevoli Il ciclo frigorifero: efficienza energetica Altri indici energetici Per valutare il comportamento di un gruppo frigorifero nel funzionamento reale di un impianto e per confrontare tra loro macchine diverse bisogna utilizzare degli indici energetici che tengano conto anche dell efficienza a condizioni diverse da quelle nominali. Vi sono alcuni indici energetici attualmente in uso: IPLV (Integrated Part Load Value) sviluppato da ARI Standard EMPE (Efficienza Media Ponderata in regime Estivo) proposto nel 2000 da AICARR, è un adeguamento dell IPLV alla situazione climatica e di utilizzo degli impianti in Italia 17
Altri indici energetici ESEER (European Seasonal EER) introdotto nel 2005, valido in Europa PE % COP100% + PE75% COP75% + PE50% COP50% + PE 100 100 25% COP25% PE = Peso Energetico (energia prodotta su energia totale) alle quattro condizioni di carico considerate COP = efficienza i del d l frigorifero f i if alle quattro condizioni i i di carico i considerate t La formula vale per tutti gli indici, cambiano le temperature considerate al condensatore Altri indici energetici Secondo l indice europeo, da un punto di vista dei pesi energetici PE Il 3% dell energia è prodotta a pieno carico e temp. aria esterna di 35 C; Il 33% dell energia è prodotta al 75% del carico e temp. aria esterna di 30 C; Il 41% dell energia è prodotta al 50% del carico e temp. aria esterna di 25 C; Il 23% dell energia è prodotta al 25% del carico e temp. aria esterna di 20 C. Glii indici i sono solo indicativi i dei consumi energetici i e servono per confrontare tra loro macchine differenti. L AICARR ha proposto un metodo indicativo per calcolare l indice energetico EMPE a partire dal COP e dal tipo di compressore. 18
Prestazioni delle pompe di calore aria - acqua Per ottimizzare l efficienza, le pompe di calore aria acqua dovrebbero essere sempre dotate di circuito con almeno due gradini di parzializzazione, qualsiasi sia il tipo di compressore installato. Il motivo di questa necessità risiede anche nell influenza dell umidità dell aria sulle prestazioni delle pompe di calore, e la conseguente formazione di brina sulla batteria esterna. La parzializzazione consente di evitare la formazione di brina per temperature superiori a 4 C. Infatti, passando una minore quantità di refrigerante all interno della batteria, da un lato diminuisce i i il calore scambiato e dall altro lt migliorano le caratteristiche dello scambio. La quantità di brina che si forma è decisamente inferiore, per cui la frequenza dei cicli di sbrinamento si riduce, con conseguente notevole miglioramento dell efficienza. Prestazioni delle pompe di calore aria - acqua Il fenomeno della formazione della brina, se non controllato, porta rapidamente al blocco della pompa di calore (a causa della diminuzione di pressione nel ciclo). Lo strato di ghiaccio che si forma sulla superficie della batteria esterna riduce sia le caratteristiche di scambio termico in quanto funge da isolante, sia l area di passaggio dell aria, aumentando le perdite di carico. Pertanto è come se la superficie di scambio si riducesse al procedere della formazione di ghiaccio. Più aumenta lo strato di ghiaccio, più si riduce la superficie di scambio e più aumenta la formazione di brina. 19
Prestazioni delle pompe di calore aria - acqua Se la temperatura esterna è bassa, ma l umidità relativa non è sufficientemente elevata (ad esempio per valori inferiori al 60%), la brina non si forma, ma se il sistema che controlla lo sbrinamento si basa su una misurazione statica della temperatura esterna o della pressione di evaporazione (cioè se misura un valore e non un andamento), questo potrebbe far partire, inutilmente, il ciclo di sbrinamento. Questo, oltre a diminuire l efficienza energetica della macchina, ne mette in pericolo il funzionamento se l intervento del sistema è molto frequente. Prestazioni delle pompe di calore aria - acqua Per verificare l effettiva necessità dell attivazione del ciclo di sbrinamento è necessario un sistema di controllo elettronico, basato su un algoritmo di auto-apprendimento legato ad una lettura dinamica dei parametri temperatura e pressione. Se i parametri non variano nel tempo significa che la batteria è pulita e non vi è bisogno di effettuare alcun ciclo di sbrinamento. Viceversa se il parametro varia con una certa pendenza, è necessario uno sbrinamento indipendente dal valore assoluto di temperatura. Durante la fase di sbrinamento, le batterie di scambio termico da evaporatori diventano condensatori, mentre lo scambiatore collegato all impianto da condensatore diventa evaporatore. Di conseguenza si utilizza il calore sottratto all impianto per scaldare le batterie e far staccare il ghiaccio dalle loro alette. L acqua dell impianto viene tanto più raffreddata quanto maggiore è il numero dei cicli di sbrinamento. 20
Prestazioni delle pompe di calore aria - acqua Nel funzionamento invernale la temperatura dell aria all ingresso dell evaporatore influenza molto la resa delle pompe di calore (molto di più di quanto influenzi l efficienza di una macchina che funziona come frigorifero). Relativamente all efficienza energetica invernale delle pompe di calore in genere, è molto importante il ruolo giocato dal contenuto d acqua dell impianto, che deve essere almeno doppio rispetto a quello dei gruppi frigoriferi. Maggiore è l inerzia termica e minori sono le rotture dei compressori. Prestazioni delle pompe di calore aria - acqua Anche la valvola termostatica di laminazione gioca un ruolo importante, infatti durante l inverno le differenze di salto di pressione del ciclo sono molto limitate, rispetto a quelle che si hanno in funzionamento estivo, quindi la valvola deve effettuare una corsa maggiore, facendo variare di molto la perdita di carico, ad ogni inserimento e disinserimento del gradino di parzializzazione. Se il tempo di funzionamento non è sufficientemente lungo, si crea un continuo pendolamento del sistema, e si possono avere ritorni di liquido al compressore e conseguenti rotture dello stesso. 21
Prestazioni delle pompe di calore: i sistemi ad inverter Da qualche tempo sono state introdotte sul mercato macchine per il condizionamento ed il riscaldamento di acqua in cui un inverter controlla la velocità di rotazione del compressore in funzione del carico di riscaldamento o di raffreddamento. Con queste macchine è possibile ottenere una maggiore efficienza energetica stagionale in quanto il compressore consuma solo l energia elettrica necessaria per il carico termico richiesto dall impianto di riscaldamento. La velocità del compressore viene variata modificando la frequenza di 50Hz dell alimentazione e portandola ad un valore più alto o più basso secondo le necessità. Alcune di queste macchine possono anche variare il set point della temperatura dell acqua in uscita in base alla temperatura esterna. La temperatura dell acqua è quindi controllata e non è mai tenuta più alta di quanto necessario per gestire la richiesta di calore dell edificio. Prestazioni delle pompe di calore: i sistemi ad inverter Quando il set point della temperatura è raggiunto, la frequenza del compressore scende e il consumo di energia si riduce di conseguenza. Al diminuire della temperatura dell acqua, la frequenza del compressore aumenta nuovamente. Il sistema di controllo consente di mantenere la differenza di temperatura tra evaporatore e compressore la più bassa possibile, con conseguente aumento del COP. Inoltre, al momento della diminuzione di velocità del compressore, si verifica una situazione simile ad un sovradimensionamento degli scambiatori di calore, con ulteriore incremento dell efficienza. 22
Prestazioni delle pompe di calore: i sistemi ad inverter Secondo alcuni autori, l extra costo di un sistema dotato di inverter rispetto ad un sistema che non lo utilizza e pertanto funziona con modalità on/off (nel caso di macchine frigorifere senza gradini di parzializzazione), può essere recuperato in meno di due anni in un clima come quello di Roma, mentre aumentano se si considera un clima come quello di Londra. Gli stessi autori affermano che, nel caso di impieghi in cui il valore dei carichi nella stagione estiva sono confrontabili con quelli che si hanno nella stagione invernale, le macchine con inverter consentono di ottenere un risparmio energetico di circa il 30% Le condizioni che determinano la durata del periodo di recupero dell investimento dipendono molto dalle condizioni climatiche del luogo di installazione Condizionatori autonomi - split Nell ambito delle piccole potenze, grande sviluppo ha avuto il condizionatore autonomo nella versione a sezioni staccate, chiamato diffusamente sistema split. Si tratta tt di un condizionatore i ambiente completo di tutti tti i suoi componenti disposti in due mobiletti separati. Il primo è disposto all interno del locale condizionato e contiene la sezione di evaporazione ad espansione diretta. Si tratta di una batteria alettata per lo scambio termico tra il fluido refrigerante e l aria da climatizzare movimentata da un apposito ventilatore. L unità esterna contiene il compressore ed un altra unità che costituisce il condensatore, raffreddato con aria esterna grazie ad un altro ventilatore. La lunghezza delle tubazioni di collegamento deve essere la minore possibile in quanto il compressore deve vincere anche le perdite di carico per attrito nelle tubazioni di collegamento, e questo influenza l efficienza energetica della macchina 23
Condizionatori autonomi - split Se la macchina è reversibile, nel riscaldamento invernale le due batterie si scambiano i ruoli di condensatore ed evaporatore. I collegamenti fra le due unità sono realizzati medianti tubazioni di piccolo diametro, quindi flessibili. A partire da un unica unità motocondensante esterna è anche possibile alimentare più unità evaporanti interne, realizzando così il cosiddetto sistema multisplit. 24
Indicazioni normative UNI 10963: 2001 Condizionatori d aria, refrigeratori e pompe di calore Determinazione delle prestazioni a potenza ridotta. La norma fornisce la metodologia per determinare le prestazioni energetiche delle macchine a potenza ridotta necessarie al calcolo delle prestazioni medie stagionali. Essa si applica ai condizionatori d'aria, ai refrigeratori d'acqua e alle pompe di calore prodotti in serie, a compressione di vapore o ad assorbimento, per climatizzazione di edifici. Le prescrizioni della norma integrano quelle fornite dalle UNI EN 255 parti da 1 a 4, UNI EN 814 parti da 1 a 3 e UNI 12055 che si limitano alla determinazione delle prestazioni a piena potenza ed in condizioni nominali. Indicazioni normative UNI 11135: 2004 Condizionatori d'aria, refrigeratori d'acqua e pompe di calore - Calcolo dell'efficienza stagionale. La norma fornisce un metodo per la determinazione dell'efficienza stagionale delle macchine a ciclo inverso a compressione di vapori, quali condizionatori, gruppi refrigeratori e pompe di calore ad azionamento elettrico o con motore a combustione interna. 25
Indicazioni normative UNI 10348: 1993 Riscaldamento degli edifici Rendimenti dei sistemi di riscaldamento Metodo di calcolo. La norma descrive la procedura per il calcolo dei rendimenti medi riferiti ad un periodo prefissato dei componenti dei sistemi impiantistici impiegati nel riscaldamento ambientale. In particolare vengono determinati i seguenti parametri: rendimento del sistema di emissione; rendimento del sistema di controllo o regolazione; rendimento medio mensile del sistema di produzione; rendimento medio stagionale del sistema di produzione; rendimento medio stagionale globale del sistema di riscaldamento. Indicazioni normative UNI 10348: 1993 Riscaldamento degli edifici Rendimenti dei sistemi di riscaldamento Metodo di calcolo. Nella determinazione del fabbisogno di energia primaria, il tipo di generatore gioca un ruolo fondamentale, infatti, l energia richiesta dall edificio è quella che serve a far fronte alle dispersioni per calore attraverso l involucro (pareti opache, superfici finestrate, ventilazione, scambi con il terreno, ecc.). Questa energia viene solitamente fornita da un generatore di calore, che è caratterizzato da un certo rendimento. Quindi per fornire l energia richiesta ha bisogno di una certa quantità di energia in ingresso. Abbiamo visto che nel caso di una pompa di calore, l indicatore che sostituisce il rendimento è il COP. 26
Indicazioni normative UNI 10348: 1993 Riscaldamento degli edifici Rendimenti dei sistemi di riscaldamento Metodo di calcolo. La norma distingue tra: pompe di calore alimentate ad energia elettrica pompe di calore alimentate con l energia chimica di un combustibile (comprese le pompe di calore ad assorbimento) e fa anche una distinzione relativa al tipo di sorgente dalla quale preleva l energia l evaporatore: temperatura costante (tipo le pompe di calore acqua/acqua e acqua/aria) temperatura t variabile (tipo le pompe di calore aria/acqua e aria/aria) i Indicazioni normative UNI EN 14511 : 2004 - Condizionatori, refrigeratori di liquido e pompe di calore con compressore elettrico per il riscaldamento e il raffreddamento La norma è composta da quattro parti: la parte 1: termini e definizioni, specifica la classificazione e le prestazioni dei condizionatori raffreddati ad aria e ad acqua, dei refrigeratori di liquido e delle pompe di calore aria/aria, acqua/ aria, aria/acqua, acqua/acqua, con compressore elettrico, quando sono utilizzati per il riscaldamento e/o il raffreddamento. La norma non si applica in modo specifico alle pompe di calore per l'acqua calda sanitaria, sebbene alcune definizioni possano essere utilizzate. La norma si applica agli apparecchi costruiti in fabbrica che possono essere canalizzati. 27
Indicazioni normative UNI EN 14511 : 2004 - Condizionatori, refrigeratori di liquido e pompe di calore con compressore elettrico per il riscaldamento e il raffreddamento la parte 2 stabilisce le condizioni di prova per la classificazione di: condizionatori raffreddati ad aria e ad acqua, dei refrigeratori di liquido delle pompe di calore aria/aria, acqua/ aria, aria/acqua, acqua/acqua, con compressore elettrico, quando sono utilizzati per il riscaldamento e/o il raffreddamento. La norma si applica agli apparecchi costruiti in fabbrica che possono essere canalizzati. Indicazioni normative UNI EN 14511 : 2004 - Condizionatori, refrigeratori di liquido e pompe di calore con compressore elettrico per il riscaldamento e il raffreddamento la parte 3 stabilisce i metodi di prova per la classificazione i e la determinazione delle prestazioni di condizionatori raffreddati ad aria e ad acqua, refrigeratori di liquido delle pompe di calore aria/aria, acqua/ aria, aria/acqua, acqua/acqua con compressore elettrico, quando sono utilizzati per il riscaldamento e/o il raffreddamento. 28
Indicazioni normative UNI EN 14511 : 2004 - Condizionatori, refrigeratori di liquido e pompe di calore con compressore elettrico per il riscaldamento e il raffreddamento la parte 4 specifica i requisiti minimi per garantire l'idoneità all'utilizzo previsto dal costruttore, di: condizionatori, pompe di calore refrigeratori di liquido con compressore elettrico quando sono utilizzati per il riscaldamento e/o il raffreddamento. La norma prevede una serie di test t che devono essere effettuati, ti ed una serie di specifiche che devono essere fornite dal costruttore, ad esempio limiti di temperatura di utilizzo, le massime condizioni operative in raffreddamento, i test di congelamento delle apparecchiature raffreddate ad aria e ad acqua, il comportamento in caso di mancanza di alimentazione elettrica, ecc. È necessario conoscere il COP della pompa di calore alla temperatura esterna di progetto E necessario conoscere il COP della pompa di calore alla temperatura di mandata di progetto Il COP deve tener conto anche dell energia energia necessaria per effettuare i cicli di sbrinamento. Vediamo per esempio una tabella: HC potenza termica erogata in riscaldamento PI potenza elettrica assorbita 29
La pompa di calore a terreno Il sistema della pompa di calore geotermica utilizza l energia solare accumulata nella crosta terrestre. Tra la superficie e la profondità di circa 2 m la temperatura del terreno oscilla attorno a quella media annuale dell aria con modalità dipendenti dalla posizione geografica, dal tipo di terreno e dalla sua umidità. Le oscillazioni di temperatura del terreno sono di misura ben più moderata rispetto a quelle dell aria esterna. A fronte di una ampiezza massima per l'aria 30 C intorno alla media annuale, per il terreno già ad una profondità di circa 1,2 m l'oscillazione i può ridursi i di circa la metà. Già a profondità ridotte l oscillazione della temperatura si riduce in ampiezza in maniera considerevole e i picchi e i ventri sono in ritardo rispetto alle oscillazioni dell aria esterna per effetto del volano termico costituito dal terreno. La pompa di calore a terreno Nei mesi invernali in cui è massima la richiesta di energia termica per il riscaldamento e nei mesi estivi in cui è massima la richiesta di raffrescamento degli ambienti, le differenze tra la temperatura dell'aria e quelle del terreno alle varie profondità sono massime. Abbiamo visto prima che il ciclo frigorifero è tanto più efficiente quanto minore è la differenza di temperatura tra le due sorgenti termiche. Siccome nei periodi più freddi è elevata la differenza di temperatura tra il terreno e l aria esterna, e siccome in questi periodi è minore l efficienza dll delle pompe di calore aria/acqua i/ a causa delle dll inversioni i idi ciclo il richieste ihi per lo sbrinamento, in queste condizioni diventa energeticamente più conveniente l utilizzo della pompa di calore geotermica. 30
La pompa di calore a terreno La prestazione termica di uno scambiatore di calore geotermico è fortemente dipendente dalle quantità di calore cedute al terreno o da questo assorbite. Può succedere che le condizioni di massima e minima temperatura del terreno si raggiungano in anni molto lontani da quelli in cui si definisce compiutamente il progetto dello scambiatore e questo avviene tanto più facilmente quanto gli scambiatori sono collocati a ridotta distanza l uno dall altro. Per questo motivo il progetto dello scambiatore dovrebbe simulare le condizioni di un lungo periodo di tempo. La pompa di calore a terreno Il calore è sottratto al terreno tramite un circuito intermedio di tubi in polietilene. In questi tubi circola una miscela di acqua e glicole. Lo scambio di calore tra il circuito it ed il fluido refrigerante si ha nell evaporatore della pompa di calore. I singoli tubi del collettore esterno sono collegati ad un collettore interno con una saracinesca. Da lì vengono collegate le tubazioni di mandata e di ritorno comuni alla pompa di calore. 31
La pompa di calore a terreno Sistemi a scambiatore verticale (sonde geotermiche) Il terreno è soggetto a sbalzi di temperatura più contenuti rispetto a quelli dell aria A circa 15 metri di profondità la temperatura è +/- costante per tutto l anno È un buon sistema quando la pompa di calore viene impiegata per la climatizzazione sia invernale che estiva È una sorgente piuttosto costosa per i costi di trivellazione e per i costi dello spazio di terreno necessario I dati medi forniti dai costruttori indicano una resa della macchina pari a circa 60 67 Watt per metro lineare di sonda esterna supponendo una resa del terreno di 50W/m. Il calcolo corretto della resa termica, indispensabile per il dimensionamento dello scambiatore, è in realtà molto complesso, e i valori qui riportati possono essere considerati solo indicativi per una valutazione economica di larga massima 32
Si effettua una perforazione di diametro di circa 150 mm (sonda), in cui viene inserito un circuito costituito da tubi in polietilene del diametro solitamente di 32 mm, e poi viene riempito di bentonite. Sistemi a scambiatore verticale (sonde geotermiche) La profondità massima di perforazione è dell ordine dei 100 metri. Nel caso in cui, per soddisfare il fabbisogno termico fossero necessarie sonde più lunghe, si dovranno realizzare più perforazioni. In linea di massima, a seconda della tipologia del terreno, sono necessari circa 15 16 metri per ciascun kw di potenza termica resa dalla pompa di calore Sistemi a scambiatore verticale (sonde geotermiche) Le tubazioni devono poi essere collegate ad un collettore e quindi alla pompa di calore 33
Sistemi a scambiatore orizzontale Ad una profondità di circa 80 cm vengono posizionati dei tubi in polietilene, il cui diametro potrebbe essere di 20mm con una lunghezza di circa 60 m l uno. A seconda della potenza termica della pompa di calore possono essere necessari diversi circuiti. Il possibile prelievo di calore dipende dalle caratteristiche del terreno: si ha una resa minore per terreni secchi e maggiore per terreni umidi. Orientativamente, per una pompa di calore con resa termica da 1kW è necessaria una superficie di terreno di circa 30 m 2 Sistemi a scambiatore orizzontale Le tubazioni devono poi essere collegate ad un collettore e quindi alla pompa di calore 34
La pompa di calore a terreno: note L utilizzo di una pompa di calore con scambiatore a terreno comporta un risparmio energetico notevole, se confrontata con una soluzione a combustibile fossile da realizzarsi in un edificio nuovo, riscaldato con un impianto di riscaldamento radiante, in cui si debba comunque installare un impianto di riscaldamento. In questo caso, infatti, per calcolare il tempo di recupero dell investimento è necessario considerare solo la differenza di prezzo tra l impianto realizzato con la caldaia e quello con la pompa di calore acqua/acqua, più il costo dello scambiatore verticale esterno. Riguardo questo scambiatore, è necessario tener presente il fatto che la sua estensione, e pertanto il numero di trivellazioni necessarie (e la loro profondità) sono determinate dalla potenza termica che deve fornire la pompa di calore. Pertanto, maggiore è l isolamento termico dell edificio e minore sarà il costo dello scambiatore esterno, e quindi in minor tempo si avrà il recupero dell investimento sostenuto. La pompa di calore a terreno: note Un maggiore isolamento termico dell edificio comporta inoltre una minore temperatura dell acqua che deve essere riscaldata dalla pompa pa di calore prima di essere e immessa nell impianto a pavimento, e pertanto, un ulteriore diminuzione della differenza di temperatura tra evaporatore e condensatore della macchina, quindi una maggiore efficienza e un più elevato risparmio energetico. Pertanto, le pompe di calore geotermiche costituiscono una soluzione molto attraente dal punto di vista energetico per talune tipologie di edifici nelle quali sia possibile effettuare investimenti consistenti da recuperare con una sensibile diminuzione dei costi di esercizio. La progettazione del sistema è però ben più complessa di quanto siamo portati a pensare oggi in base alle notizie che ci arrivano da diversi soggetti che si occupano della commercializzazione dei prodotti. 35
La pompa di calore a terreno: la soluzione ad espansione diretta Sistema con pompa di calore geotermica ad espansione diretta. Il significato di espansione diretta è lo stesso rispetto ad una macchina utilizzata per il riscaldamento ad aria: lo scambio avviene direttamente con la sorgente, senza la presenza di un fluido intermedio La pompa di calore a terreno: la soluzione ad espansione diretta Tubazioni esterne in rame installate ad una profondità di 70 80 cm 36
La soluzione ad espansione diretta Sul catalogo Casa No Gas La soluzione ad espansione diretta Sul catalogo Casa No Gas 37
La soluzione ad espansione diretta Sul catalogo Casa No Gas L energia elettrica è utilizzata da CALIANE per pompare verso l impianto di riscaldamento l energia termica sottratta dal terreno esterno all abitazione i mediante lo scambiatore interrato (2) La soluzione ad espansione diretta Sul catalogo Casa No Gas Lo scambiatore interrato è costituito da una serie di circuiti in tubo di rame interrati a circa 70 80 cm di profondità, in cui circola un fluido frigorigeno. 38
La soluzione ad espansione diretta Sul catalogo Casa No Gas Il fluido caldo prodotto dalla pompa di calore (1) viene inviato all impianto di riscaldamento passando per un accumulo inerziale (3), mediante il gruppo di distribuzione (4 ) La soluzione ad espansione diretta Sul catalogo Casa No Gas Simulazioni effettuate nell ipotesi di riscaldare un edificio di nuova costruzione situato a Venezia, con superficie di 120 m 2, termicamente t isolato in modo da rispettare i requisiti del DLgs 311/2006 per l anno 2010, e tale da avere dispersioni termiche massime di 55 W/m 2. Si è ipotizzato che l impianto di riscaldamento sia a pavimento radiante, funzionante con acqua a 40 C. Un sistema alimentato con combustibile tradizionale comporta un esborso continuo per l acquisto del combustibile, mentre la soluzione con pompa di calore elettrica e impianto fotovoltaico consente, dopo il recupero dell investimento, di ottenere un entrata economica reale, ogni anno, grazie alla tariffa incentivante pagata dal GSE. 39
Si tratta di una pompa di calore ad aria, in cui l unità esterna funziona utilizzando come refrigerante l anidride carbonica ad alta pressione La soluzione ad anidride carbonica L anidride carbonica come refrigerante Non è pericolosa Costa pochissimo Il problema nel suo utilizzo è dato dal fatto che il ciclo ha elevati livelli di pressione ed il fluido si trova per gran parte del ciclo nella zona del vapore surriscaldato (ciclo ipercritico) La soluzione ad anidride carbonica Vantaggi: Prestazioni elevate anche con temperature esterne molto basse Possibilità di utilizzare con alto rendimento anche impianti a radiatori Possibilità di produrre con alto rendimento anche acqua calda sanitaria Ottima soluzione nel caso non sia disponibile il giardino per la soluzione geotermica 40
La soluzione ad anidride carbonica 60 Max. 55 Compressore CO2 65 Serbatoio Acqua sanitaria Raffreddatore di liquido Radiatori per il riscaldamento 15-45 Valvola di espansione Pompa di Calore Serbatoio Acqua di rete La soluzione ad anidride carbonica Dimensioni A=690 L=840 P=290 mm Refrigerante R744 (CO2) 0.86kg 4,5 kw Pompa di Calore Peso Resa/Assorbita/ COP 1 Resa/Assorbita/ COP 2 Resa/Assorbita/ COP 3 65kg 4.5kW / 1.2kW / 3.75 4.5kW / 1.45kW / 3.1 4.5kW / 2.48kW / 1.81 Livello sonoro 45dB(A) SHP-C45DEN Compressore Temperatura acqua in Uscita / Ingresso: 50 / 30 1; Temperatura Esterna 20 2; Temperatura Esterna 7 3; Temperatura Esterna -15 Rotativo a 2-stadi 41
La soluzione ad anidride carbonica 9,0 kw Dimensioni Refrigerante Peso A=1235 L=930 P=340 mm R744 (CO2) 1.4kg 105kg Pompa di Calore Resa/Assorbita/ COP 1 Resa/Assorbita/ COP 2 Resa/Assorbita/ COP 3 Livello sonoro 9.0kW / 2.9kW / 3.1 9.0kW / 5.0kW / 1.8 8.0kW / 5.0kW / 1.6 49dB(A) SHP-C90GDN Compressore Temperatura acqua in Uscita / Ingresso: 50 / 30 1; Temperatura Esterna 7 2; Temperatura Esterna -15 3; Temperatura Esterna -20 Rotativo a 2-stadi 220 lt La soluzione ad anidride carbonica Capacità serbatoio 223 litri Serbatoio Max pressione operativa boiler Max pressione acqua di rete Dimensioni Peso Riscaldatore elettrico 2.5 kg/cm2 9 kg/cm2 A=1562 L=600 P=624 mm 160kg 6 o 9kW + 6kW SHP-TH90GDN 42
La soluzione ad anidride carbonica Pompa di Calore Serbatoio Riscaldatore acqua CO2 SANYO 43
Ingresso/Uscita dalla pompa di calore Copertura Tutte le connessioni dalla parte alta Ingresso cavi elettrici Pannello di controllo Resistenza elettrica (parte alta) Isolamento parte alta del serbatoio Scambiatore acqua calda sanitaria (parte alta) Partizione del serbatoio Collegamenti elettrici Mandata e ritorno dalla pompa di calore Scambiatore acqua calda sanitaria (parte bassa) Tubazione ritorno radiatori Resistenza elettrica (parte bassa) Valvole di chiusura serbatoio Isolamento base del serbatoio Circolatore acqua tra serbatoio e pompa di calore Valvola circolatore acqua Spazio per manutenzione unità Basamento Valvola di drenaggio (serbatoio e radiatori) Piedini regolabili Convenienza economica di utilizzare una pompa di calore al posto della caldaia Il limite economico di utilizzo delle pompe di calore è determinato solo ed esclusivamente dal rapporto di costo tra il chilowattora termico prodotto con la caldaia ed il costo dell energia elettrica. È quindi possibile calcolare il COP limite, al di sopra del quale conviene utilizzare la caldaia. CkWhe COP l = CkWh Il costo del chilowattora termico dipende dal costo del combustibile e dal rendimento termico utile del generatore Costo Unità Combustibile CkWht = P. C. I. η t t 44
Bibliografia Per il presente lavoro sono stati consultati i seguenti testi e pubblicazioni: 1. Michele Vio, Diego Danieli: Le centrali frigorifere Ed. Editoriale Delfino 2. Diego Danieli, Michele Vio: Sistemi di condizionamento a portata variabile Ed. Editoriale Delfino 3. Luigi Schibuola: La pompa di calore elettrica reversibile nelle sue applicazioni Ed. Progetto Leonardo - Bologna 4. Silvia Miglioli, Filippo Magni: Risparmio energetico del 30% con l inverter CDA gennaio 2003 5. Documentazione tecnica Altherma Daikin 45