La pompa 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 ed i 120 gradi 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.
Un importante premessa Lo scambio termico avviene spontaneamente da sistemi a temperatura più alta verso sistemi a temperatura più bassa. Esempi: Fluido a q = 40 C cede calore ad un flusso d aria a 20 C che si riscalda Fluido a q = -5 C riceve calore ad un flusso d aria a 20 C che si raffredda Fluido a q = -10 C cede calore a un altro fluido a q = -20 C che tende a scaldarsi Evaporatore: scambiatore di calore con fluido in evaporazione Condensatore: scambiatore di calore con fluido in condensazione
Lo schema di funzionamento Sorgente a temperatura T 1 q 1 P m Macchina a ciclo inverso q 2 Sorgente a temperatura T 2 < T 1
Le macchine, funzionanti secondo un ciclo termodinamico inverso, possono essere fatte operare avendo come scopo primario la cessione di energia termica alla sorgente a temperatura più alta. In questo caso esse sono denominate pompe di calore e, dal momento che l effetto utile è la fornitura di calore alla sorgente ad elevata temperatura, il coefficiente di prestazione viene definito dalla relazione: q q COPpompa di calore 1 1 q1 q2 Pm
Come funziona una pompa di calore? Sfruttando la capacità di un fluido (detto frigorigeno) di evaporare a bassa temperatura e a pressione circa pari a quella atmosferica e di condensare a temperature più elevate (50 80 C) e pressioni di una decina di atmosfere.
Il compressore (A) comprime il fluido refrigerante a circa 20bar (che è una pressione dieci volte superiore a quella dei pneumatici delle automobili) e gli fa raggiungere la temperatura di circa 80 C. A questa temperatura il gas arriva al condensatore esterno (B) e cede parte del suo calore all aria aiutato dal ventilatore. Il gas, quindi, si raffredda e diventa liquido e viene costretto a passare attraverso un piccolo foro (C). Attraversato questo foro il liquido ritorna in parte allo stato gassoso e si raffredda scendendo a circa 5 C. Il gas passa poi all evaporatore (D) posto all interno dell ambiente e aiutato dal suo ventilatore cede il freddo all aria. A questo punto il gas tornerà al compressore pronto a iniziare un nuovo ciclo.
Se l utilizzatore sfrutta l effetto termico q 2 : la macchina è un frigorifero (condizionatore) Se l utilizzatore sfrutta l effetto termico q 1 : la macchina è una pompa di calore Per il corretto funzionamento della macchina a ciclo inverso è necessario: disporre di potenza meccanica (compressore) disporre di condizioni adatte allo scambio termico (scambiatori di calore) disporre di un fluido idoneo
Il fluido frigorigeno 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. Il 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 (alcune decine di C) e condensazione a temperature dell ordine della decina di C. Possono essere usate miscele di fluidi diversi
Ozone Depletion Potential Rappresenta la potenzialità distruttiva sull ozono stratosferico calcolata, su base di eguale massa rilasciata nella bassa troposfera, rispetto al CFC-11 (CFCl 3 ) assunto come riferimento Greenhouse Warming Potential a 100 anni Consiste di una stima dell effetto serra dovuto all emissione di gas che contribuiscono a tale effetto durante il processo di produzione
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 e all effetto serra. 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 gli impianti.
Dal confronto con gli altri Paesi europei sulla produzione dei rifiuti contenenti sostanze lesive per l ozono e Fgas emerge il basso tasso di smaltimento dell Italia, posizionata all ottavo posto tra i dieci presi in considerazione. Il primo fattore di cui occorre tener conto è quello della scarsa percezione che questi gas costituiscono un rifiuto pericoloso e altamente inquinante. L altra componente che facilita la dispersione in atmosfera di queste sostanze è proprio il loro stato gassoso, che rende praticamente impossibile la tracciabilità di questo tipo di rifiuto e dell impianto da cui è stato emesso.
Il patentino di frigorista è stato reso obbligatorio dal DPR n.43 del 27/01/12: il tecnico sarà qualificato come "Personale Tecnico abilitato alle attività di installazione, riparazione, manutenzione, recupero, controllo delle perdite nelle apparecchiature fisse di refrigerazione, condizionamento e Pompa di calore contenenti gas refrigeranti fluorurati ai sensi del Regolamento (CE) 303/2008". Il decreto prevede un registro on-line, gestito dal Ministero dell Ambiente, cui tutti i tecnici del settore dovranno iscriversi per poter svolgere la loro attività. Sarebbe auspicabile prevedere anche un obbligo, per ciascun manutentore e per i singoli impianti, di un libretto online relativo agli interventi di manutenzione, in cui vengono registrati i dettagli degli interventi, i gas prelevati e smaltiti, eventuali problemi riscontrati nell impianto, etc. Fonte: Legambiente
Legislazione Decreto Ministero Sviluppo Economico 7 Aprile 2008 Finanziamento del 55% (ora 65%) 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. Per coefficiente di prestazione di una pompa di calore (COP), si intende il rapporto tra il calore fornito e l elettricità o il gas consumati Per indice di efficienza energetica di una pompa di calore (EER), si intende il rapporto tra la produzione di freddo e l elettricità o il gas consumati Il D.M. introduce limiti per i valori prestazionali
D.Lgs. 28/ 2011 ALLEGATO 1 (art. 3, comma 4) Procedure di calcolo degli obiettivi 4. Computo dell energia prodotta dalle pompe di calore La quantità di energia aerotermica, geotermica o idrotermica catturata dalle pompe di calore da considerarsi energia da fonti rinnovabili ai fini del presente decreto legislativo, E RES, è calcolata in base alla formula seguente: E RES = Q usable * (1-1/SPF) Q usable = il calore totale stimato prodotto da pompe di calore che rispondono ai criteri che saranno definiti sulla base degli orientamenti stabiliti dalla Commissione ai sensi dell allegato VII della direttiva 2009/28/CE, applicato nel seguente modo: solo le pompe di calore per le quali SPF > 1,15 * 1/η sarà preso in considerazione; SPF = il fattore di rendimento stagionale medio stimato per tali pompe di calore;
η è il rapporto tra la produzione totale lorda di elettricità e il consumo di energia primaria per la produzione di energia e sarà calcolato come media a livello UE sulla base dei dati Eurostat. Nel caso di pompe di calore a gas η è posto pari a 1 fino alla determinazione di un più appropriato valore, effettuata dal Ministero dello sviluppo economico con apposita circolare al GSE. Ne risulta un valore minimo dell'spf che, con gli attuali valori di η risulta: SPF min > 1,15 per pompe di calore a gas SPF min > 2,875 per pompe di calore elettriche
Per il calcolo dell'spf la normativa citata propone la seguente relazione: SPF PdC E E PdC ass dove SPF PdC è il coefficiente di prestazione medio stagionale della pompa di calore; E PdC è l'energia termica resa disponibile dalla pompa di calore durante una stagione; E ass è in generale l'energia spesa per consentire il funzionamento della pompa di calore durante una stagione.
Tipologia Acqua acqua: si riscalda acqua (condensatore) trasferendo energia termica da altra acqua (evaporatore) Aria acqua: si riscalda acqua (condensatore) attingendo calore da aria (evaporatore) Acqua aria: si riscalda aria (condensatore) attingendo calore da acqua (evaporatore) Aria aria: si riscalda aria (condensatore) trasferendo energia termica da altra aria (evaporatore) Al posto dell acqua può essere usata salamoia (brine) Possono funzionare come macchine frigorifere (reversibilità)
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. Con tale denominazione vengono classificate tutte le macchine ad espansione diretta di gas freon, costituite da una unità motocondensante (o motoevaporante in pompa di calore) e da una o più unità interne, anche variamente configurate, collegate alla unità esterna medesima. Le unità esterne, sia mono che multi, sono generalmente raffreddate ad aria ed hanno la possibilità di essere variamente collocate (a pavimento, a parete, a tetto, ecc.) direttamente all aperto. Anche i terminali interni sono ampiamente assortiti: ne esistono per essere collocati a parete (sia in basso che in alto), a soffitto da canalizzare, da incasso, ecc.
Pompa di calore ad aria riscaldamento Pompa di calore ad aria raffrescamento
IMPIANTI VRF Fonte primaria: energia elettrica Unità esterne Distributore Unità interne Circuito Frigo
Pompe di calore ad acqua
Sistemi impiantistici: a terreno Caratteristiche Temperatura media del terreno (8-10 C) Pompa di calore (almeno COP 3-4) Sonda a terreno (oltre 100 m)
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.
Pompe di calore: scambio con il terreno La sede di TiFS Ingegneria di Padova