Raffreddare col calore aumentando l’efficienza energetica può sembrare controintuitivo, ma è il principio alla base dei sistemi di refrigerazione e condizionamento ad assorbimento. Si tratta di sistemi ad efficienza energetica che sfruttano cascami di calore di scarto, provenienti da altri processi o da pannelli solari, come nel caso del solar cooling.
Cos'è l'Assorbimento?
Innanzitutto, l’assorbimento è un processo fisico per cui un liquido evapora assorbendo calore da ciò che lo circonda. Questo principio è posto alla base della maggior parte delle macchine frigorifere.
Chiller ad Assorbimento
I chiller ad assorbimento, detti anche assorbitori, impiegano generalmente una miscela di acqua e bromuro di litio come fluido primario: le due sostanze, grazie alle loro caratteristiche fisiche peculiari, contribuiscono al ciclo di raffreddamento assicurando rispettivamente due diverse funzioni.
Un refrigeratore ad assorbimento consta quindi di diverse fasi e di macchine termiche collegate tra loro, che insieme contribuiscono a fornire i fluidi alle opportune temperature e alle ottimali condizioni di pressione necessarie allo svolgersi dei diversi passaggi fisici del ciclo termico di refrigerazione ad assorbimento.
Come Funziona la Refrigerazione ad Assorbimento
Ed ecco come si svolge la refrigerazione ad assorbimento: all’inizio del ciclo, la soluzione di acqua e bromuro di litio viene surriscaldata nel generatore, grazie al contributo del calore di recupero, che può essere in forma di vapore, fumi, o acqua riscaldata mediante calore di scarto.
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L’acqua di raffreddamento così ottenuta passa quindi nell’evaporatore, che offre un ambiente a bassa pressione all’interno del quale viene spruzzata sulle serpentine contenenti il fluido da refrigerare, che entra a 14° C circa ed esce come acqua refrigerata a una temperatura di circa 7° C (questo in linea di massima, ma il salto termico così come le temperature dei fluidi nei diversi passaggi variano in dipendenza da diversi altri fattori).
Il vapore acqueo a bassa temperatura proveniente dall’evaporatore passa quindi all’assorbitore, dove la sua temperatura viene abbattuta dalla torre evaporativa e dove viene assorbito dalla soluzione concentrata di bromuro di litio.
La circolazione della soluzione di bromuro di litio tra generatore e assorbitore avviene tramite un sistema di pompaggio e passando per uno scambiatore di calore, in funzione di rigeneratore, posto a interfaccia tra il generatore - fase in entrata del ciclo - e l’assorbitore-torre evaporativa, fase finale del ciclo.
Pompe di Calore a Compressione o Assorbimento: Quale Scegliere?
Quando si tratta di riscaldamento e raffrescamento, la scelta della pompa di calore giusta può fare una grande differenza in termini di efficienza, costi e impatto ambientale. Rispetto ai sistemi tradizionali, sono apprezzate per la loro efficienza energetica e il minor impatto ambientale.
Tipologie di Pompe di Calore
Sul mercato moderno, possiamo individuare tre tipologie di pompe di calore che si distinguono tra loro per fonte di energia:
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- Pompa di calore a compressione
- Pompa di calore ad assorbimento
- Pompa di calore ad assorbimento-compressione
Pompa di Calore a Compressione
Le pompe di calore a compressione funzionano grazie a un compressore elettrico che comprime un fluido di lavoro (chiamato anche fluido refrigerante o fluido frigorigeno). Il fluido percorre ciclicamente un circuito idraulico e subisce un processo periodico che consiste in quattro fasi:
- Evaporazione: Il prelievo di calore a bassa temperatura ha luogo in uno scambiatore di calore detto evaporatore.
- Compressione: Il compressore aumenta la pressione del liquido, riscaldandolo fino a superare leggermente la temperatura della sorgente calda.
- Condensazione: Il refrigerante, ora riscaldato, può sfruttare la differenza di temperatura per cedere calore alla sorgente calda.
- Espansione: Per completare il ciclo, passa attraverso una valvola di espansione che riduce la pressione e la temperatura, riportandolo alle condizioni iniziali.
Questo processo, ripetuto ciclicamente, permette alla pompa di trasferire calore tra l’interno e l’esterno degli ambienti.
Vantaggi di una Pompa di Calore a Compressione
- Elevata efficienza energetica: la pompa di calore a compressione è efficiente soprattutto se combinata con impianti fotovoltaici.
- Facilità di installazione: la pompa di calore è più adatta a contesti residenziali.
- Versatilità: le pompe di calore a compressione sono disponibili in diverse dimensioni, dalla singola abitazione ad applicazioni industriali.
Svantaggi di una Pompa di Calore a Compressione
- Necessità di una fonte di energia elettrica: l’utilizzo di una pompa di calore a compressione potrebbe risultare non particolarmente conveniente in zone con tariffe energetiche elevate.
- Potenziale rumorosità elevata rispetto alle altre tipologie: il compressore potrebbe generare rumore, causando inquinamento acustico.
Pompa di Calore ad Assorbimento
Anche se la maggior parte delle pompe di calore sul mercato sfrutta l’energia elettrica per il loro funzionamento, esistono macchine meno diffuse, chiamate pompe di calore ad assorbimento, che sfruttano energia termica, ovvero il calore.
Ecco da dove può prendere il calore la pompa ad assorbimento:
- Combustione di gas, come il metano o il GPL
- Olio combustibile
- Fonti residue
- Ambiente circostante
Le pompe di calore ad assorbimento utilizzano una fonte di calore per attivare un ciclo chimico che permette il trasferimento di calore. Non hanno quindi la necessità di un compressore, ma utilizzano un processo di assorbimento termico tramite fluidi, per esempio, acqua e ammoniaca.
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Vantaggi di una Pompa di Calore ad Assorbimento
- Consumi elettrici bassi: la pompa di calore ad assorbimento può essere utilizzata in zone dove l’energia elettrica è costosa o limitata.
- Utilizzo di fonti rinnovabili: la pompa ad assorbimento è particolarmente adatta nei luoghi dove è possibile accedere all’energia solare o l’energia da biomassa.
- Silenziosità: non avendo parti meccaniche in movimento, la pompa di calore ad assorbimento è sicuramente più silenziosa rispetto alle pompe a compressione.
Svantaggi di una Pompa di Calore ad Assorbimento
- Investimento iniziale elevato: l’acquisto e l’installazione di una pompa ad assorbimento potrebbe essere più costoso rispetto alla pompa a compressione.
- Necessità di una fonte di calore costante: la pompa ad assorbimento potrebbe avere efficienza più bassa in assenza di fonti termiche stabili.
Pompa di Calore ad Assorbimento-Compressione
Le pompe di calore ibride combinano i vantaggi dei sistemi ad assorbimento e a compressione. Questo gli permette di offrire maggiore flessibilità e rendimenti migliorati, soprattutto in contesti industriali. Questi impianti uniscono una pompa di calore a compressione con una ad assorbimento, consentendo l’uso sia di energia termica che elettrica.
Questa tecnologia è particolarmente efficace se integrata con sistemi cogenerativi, ovvero sistemi che producono sia calore che elettricità.
Le pompe ibride massimizzano la produzione di riscaldamento e raffreddamento utilizzando una quantità ridotta di combustibile, migliorando l’efficienza energetica. Sono anche ideali per ottimizzare l’uso del calore di scarto in applicazioni industriali, aumentando la temperatura per un recupero più efficace.
Confronto tra le Diverse Tipologie di Pompe di Calore
Come abbiamo già potuto vedere, le pompe di calore si distinguono non solo per il principio di funzionamento, ma anche per la fonte di energia utilizzata.
| Tipologia | Fonte di Energia | Applicazioni | Efficienza |
|---|---|---|---|
| Pompa di calore a compressione | Energia elettrica | Residenziale, commerciale, industriale | Elevata, soprattutto con fotovoltaico |
| Pompa di calore ad assorbimento | Energia termica (gas, biomasse, calore residuo) | Industriale, grandi edifici | Buona, se la fonte termica è costante |
| Pompa di calore ad assorbimento-compressione | Energia termica ed elettrica | Industriale, cogenerazione | Ottimizzata per diversi contesti |
Come possiamo vedere, ogni tipologia di pompe di calore è progettata per ottimizzare il rendimento in un contesto specifico. La scelta può essere dettata da diversi fattori, come disponibilità delle fonti energetiche, esigenze di riscaldamento e raffrescamento, budget a disposizione.
Pompe di Calore ad Assorbimento: Funzionamento Dettagliato
Le pompe di calore ad assorbimento sono dispositivi che sfruttano il principio termodinamico dell’assorbimento per trasferire calore da una sorgente a bassa temperatura a una sorgente a temperatura più elevata. A differenza delle pompe di calore tradizionali che utilizzano compressori meccanici, le pompe di calore ad assorbimento si basano su reazioni chimiche o fisiche per ottenere il loro effetto di riscaldamento o raffreddamento.
Fasi del Ciclo di una Pompa di Calore ad Assorbimento
Analizziamo nel dettaglio tutte le fasi del ciclo di una pompa di calore ad assorbimento:
- Generatore: La fonte energetica primaria aumenta la temperatura della soluzione refrigerante-assorbente.
- Rettificatore: Il vapore del fluido refrigerante passa attraverso il rettificatore, dove si separa dall’eventuale residuo d’acqua.
- Condensatore: Avviene la condensazione del fluido refrigerante e quindi la cessione di calore all’acqua dell’impianto.
- Laminazione e Scambiatore di Calore: Il refrigerante diminuisce di pressione e temperatura, in modo tale da poter arrivare nelle condizioni ideali che permetteranno al fluido di assorbire calore dall’aria esterna.
- Evaporatore: Il refrigerante a contatto con l’aria esterna la raffredda, prelevando calore, e di seguito evapora.
- Pre-Assorbitore: Il refrigerante viene surriscaldato e reagisce con l’acqua, dando origine all’assorbimento vero e proprio.
- Assorbitore: Lo scambiatore funge da assorbitore e consente di cedere al fluido termovettore dell’impianto termico una considerevole quantità d’energia termica.
La soluzione acqua-refrigerante viene inviata dalla pompa della soluzione nuovamente al generatore, ricominciando il ciclo frigorifero.
Differenza tra Pompa di Calore ad Assorbimento e a Compressione
La principale differenza tra una pompa di calore ad assorbimento ed una a compressione (elettrica o a gas) risiede nelle fasi di lavoro: una pompa di calore ad assorbimento è priva della fase di compressione, che è totalmente sostituita con due fasi distinte: la generazione e l’assorbimento.
Inoltre l’efficienza di una pompa di calore ad assorbimento, che si misura in GUE, Gas Utilization Efficiency, è maggiore di quella di una pompa di calore tradizionale.
Tipologie di Pompe di Calore ad Assorbimento
Nel mercato degli impianti di climatizzazione comunemente si possono trovare due tipologie di pompe di calore ad assorbimento, quella a fiamma diretta o quella ad alimentazione indiretta.
- Pompa di calore a fiamma diretta: Viene alimentata dalla fiamma generata da un combustibile come gas naturale, GPL, biomasse, etc.
- Pompa di calore ad alimentazione indiretta: Ha come sorgente termica un fluido termovettore (acqua calda o surriscaldata, vapori, prodotti di combustione di motori endotermici).
Le pompe di calore ad assorbimento rappresentano una soluzione promettente per il riscaldamento e il raffreddamento degli edifici, offrendo vantaggi significativi in termini di efficienza energetica, riduzione delle emissioni e flessibilità nell’uso di fonti di energia rinnovabile.
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