Il mercato delle pompe di calore aria-acqua per la climatizzazione ambiente è in forte crescita grazie all’indirizzo dato dalle più recenti politiche europee di riduzione delle emissioni di gas climalteranti nel settore dell’edilizia. Sono numerosi gli studi di carattere scientifico volti ad approfondire il tema e a ricercare soluzioni sempre più efficienti.
Per quanto riguarda le pompe di calore utilizzate per i servizi di riscaldamento e acqua calda sanitaria, una soluzione in grado di diminuire i consumi globali del sistema è quella di prevedere uno scambiatore di calore aggiuntivo, chiamato desurriscaldatore, progettato per funzionare in parallelo al condensatore.
Questo nuovo componente è dedicato esclusivamente al servizio di acqua calda sanitaria e permette diversi vantaggi, dei quali si segnala la contemporanea produzione di energia utile per entrambi i citati servizi di riscaldamento e acqua calda sanitaria e la riduzione dell’incidenza dei cicli di funzionamento della pompa di calore in modalità di produzione di sola acqua calda sanitaria, che presenta, fra tutte quelle in cui la macchina può operare, i coefficienti di prestazione inferiori.
Per valutarne i benefici, si propone un’analisi in grado di mettere a confronto le prestazioni di una pompa di calore di taglia da 7 kWt in questa nuova configurazione con quelle di una macchina di eguale taglia in configurazione semplice attraverso l’utilizzo di un modello validato di simulazione numerica scritto in ambiente Matlab. Il principale servizio analizzato è quello di preparazione dell’acqua calda sanitaria attraverso un sistema di accumulo da 200 litri. Dapprima vengono confrontati i tempi di risposta del sistema per mantenere il volume al di sopra dei 50 °C.
Come Funziona il Desurriscaldatore?
Il desurriscaldatore è uno scambiatore di calore che recupera il calore dal gas refrigerante ad alta temperatura e alta pressione proveniente dal compressore, prima che questo entri nel condensatore principale. Questo calore recuperato viene utilizzato per preriscaldare l'acqua destinata all'uso sanitario, riducendo così il carico di lavoro del condensatore e aumentando l'efficienza complessiva del sistema.
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In pratica, il gas refrigerante surriscaldato cede parte del suo calore all'acqua che circola nel desurriscaldatore. L'acqua riscaldata viene quindi immagazzinata in un serbatoio di accumulo per essere utilizzata quando necessario.
Vantaggi dell'Utilizzo di un Desurriscaldatore
- Aumento dell'efficienza energetica: Il desurriscaldatore permette di recuperare calore che altrimenti andrebbe disperso, aumentando l'efficienza complessiva del sistema di riscaldamento.
- Produzione di acqua calda sanitaria: Il calore recuperato viene utilizzato per produrre acqua calda sanitaria, riducendo la necessità di utilizzare altri sistemi di riscaldamento.
- Riduzione dei costi energetici: Grazie all'aumento dell'efficienza energetica e alla produzione di acqua calda sanitaria, l'utilizzo di un desurriscaldatore può portare a una significativa riduzione dei costi energetici.
- Diminuzione dell'impatto ambientale: Riducendo il consumo di energia, l'utilizzo di un desurriscaldatore contribuisce a diminuire l'impatto ambientale del sistema di riscaldamento.
Macchine Frigorifere e Pompe di Calore: Un Confronto
Il sistema di generazione di un impianto di climatizzazione di un edificio può essere costituito da una pompa di calore o macchina frigorifera. La macchina frigorifera e la pompa di calore sono spesso costituite da un unico apparato invertibile, con duplice funzionamento, rispettivamente raffrescamento in estate e riscaldamento in inverno, basato sul trasferimento di calore da zone a temperatura inferiore verso zone a temperatura superiore attraverso lavoro fornito da un serbatoio di energia meccanica. Ciò infatti non sarebbe possibile spontaneamente in quanto si oppone al II principio della termodinamica secondo il quale il calore fluisce spontaneamente da zone a temperature superiore verso zone a temperatura inferiore.
Macchina Frigorifera
Si consideri un edificio in regime estivo, la temperatura esterna è maggiore di quella interna. Nell’esempio, il condizionatore autonomo è una macchina frigorifera che sottrae calore al locale in cui è posizionato (SETB) per raffrescarlo e mantenerlo ad una temperatura tale da garantire il comfort termico degli utenti (circa 26°C), smaltendo infine l’energia termica assorbita all’aria esterna (SETA).
Pompa di Calore
Si consideri un edificio in regime invernale, la temperatura interna è maggiore di quella esterna. Per il II principio della termodinamica ci sarà del calore che dall’interno si disperderà verso l’esterno. Al fine di mantenere all’interno del locale una temperatura costante ed idonea a garantire il benessere termico degli occupanti (circa 20°C), è necessario compensare la quantità di calore dispersa all’esterno. La pompa di calore dunque sottrae calore all’aria esterna e lo riversa all’interno dell’edificio.
Il principio di funzionamento della macchina frigorifera e della pompa di calore è lo stesso, cambia la finalità: la macchina frigorifera ha lo scopo di raffrescare, ossia sottrarre calore alla zona a temperatura inferiore smaltendolo poi in quella avente temperatura superiore; la pompa di calore deve invece riscaldare, fornire calore alla zona a temperatura superiore sottraendolo a quella a temperatura inferiore.
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Esistono molteplici tipologie di macchina frigorifera/pompa di calore, a seconda del funzionamento e della modalità con cui viene fornita l’energia meccanica:
- Macchine frigorifere/pompe di calore a compressione di vapore elettriche (il motore del compressore è alimentato elettricamente) EHP (Electric Heat Pump);
- Macchine frigorifere/pompe di calore a compressione di vapore a gas (il motore del compressore è alimentato da un sistema a combustione interna) GHP (Gas Heat Pump);
- Macchine frigorifere/pompe di calore ad assorbimento (il compressore è sostituito da un assorbitore e un generatore) AHP (Absorption Heat Pump).
Valutazione della Prestazione Energetica
La prestazione energetica della macchina frigorifera o pompa di calore si misura attraverso un coefficiente adimensionale pari al rapporto tra la finalità e la spesa energetica:
- Macchina frigorifera - l’efficienza energetica si misura attraverso il parametro EER (energy efficienty ratio) che rappresenta il rapporto tra l’energia termica da sottrarre al SET a temperatura inferiore e l’energia meccanica spesa:
- Pompa di calore - il COP, coefficiente di prestazione, rappresenta il rapporto tra l’energia termica da fornire al SET a temperatura superiore e l’energia meccanica spesa:
Se consideriamo una macchina frigorifera e una pompa di calore reversibili, ossia ideali, il rendimento è funzione solo delle temperature dei SET A e B:
Dalle formule, emerge che l’efficienza energetica della macchina frigorifera ideale diminuisce all’aumentare della temperatura esterna TA, perché aumenta il denominatore; analogamente, per la pompa di calore, il COP diminuisce al diminuire della temperatura esterna TB. Il sistema va in sofferenza quando vi è la maggiore necessità di raffrescare o riscaldare!
Il rapporto tra la prestazione di una macchina reale e quella di una macchina ideale è definito rendimento di secondo principio, è minore o uguale all’unità e ci dice quanto la macchina reale si discosta da quella ideale:
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Tipologie di Macchine Frigorifere/Pompe di Calore
Macchine frigorifere/pompe di calore a compressione di vapore
Il funzionamento della macchina frigorifera/pompa di calore si basa sul passaggio di fase di un fluido refrigerante all’interno di un ciclo di Carnot che, in parte dei casi, è invertibile. Analogamente, al condensatore il fluido refrigerante condensa cedendo calore all’aria esterna che passa da 32°C a 37°C.
Nel funzionamento da pompa di calore il ciclo si inverte, l’evaporatore è esterno, il condensatore interno, il fluido refrigerante evapora sottraendo calore all’aria esterna, la quale, movimentata da un ventilatore viene spinta all’interno dell’evaporatore, cede calore, si raffredda e passa da circa 2°C a -3°C. Successivamente il fluido refrigerante condensando cede il calore all’aria all’interno del locale che passa da circa 20°C a 28°C.
Dalla formula del COP si evince che la macchina frigorifera va in sofferenza all’aumentare della temperatura dell’aria esterna, ossia nelle condizioni in cui vi è la maggiore necessità di raffreddare; analogamente vale per il funzionamento da pompa di calore in quanto la prestazione della macchina si riduce al diminuire della temperatura esterna.
Macchina frigorifera acqua - aria, pompa di calore aria-acqua
La macchina frigorifera/pompa di calore acqua-aria/ aria-acqua utilizza l’acqua di mandata ai corpi scaldanti (fan-coil) o alle batterie dell’unità di trattamento dell’aria come sorgente fredda in estate e calda in inverno; l’effetto utile quindi non si ha più sull’aria del locale come nel caso precedente, ma sull’acqua che indirettamente riscalda o raffresca il locale.
Nel funzionamento da macchina frigorifera si ha evaporazione ad acqua e condensazione ad aria, ovvero il fluido refrigerante evapora sottraendo calore all’acqua e condensa poi smaltendo il calore accumulato all’aria esterna. Questa tipologia di macchina frigorifera è definita chiller o refrigeratore d’acqua e viene usata di solito per impianti di climatizzazione centralizzati.
Macchina frigorifera/pompa di calore acqua - acqua
La macchina frigorifera/pompa di calore acqua-acqua utilizza l’acqua sia come sorgente fredda che come sorgente calda, in entrambe le circostanze lo scambio termico all’evaporatore e al condensatore avviene tra il fluido refrigerante e l’acqua. L’effetto utile riguarda l’acqua di mandata ai terminali presenti in ambiente o alle batterie dell’unità di trattamento aria, mentre l’effetto “necessario” riguarda acqua a “perdere” o di torre evaporativa.
Macchina frigorifera/pompa di calore geotermica
La macchina frigorifera/pompa di calore geotermica sfrutta il terreno come sorgente calda in estate e fredda in inverno. Particolarmente utilizzata e prestante in regime invernale in quanto sottrae calore al terreno all’evaporatore che sarà poi ceduto al condensatore all’acqua di mandata ai corpi scaldanti o alle batterie dell’UTA. In questo caso il COP è elevato essendo la temperatura del terreno (circa 10°C) maggiore e meno variabile rispetto a quella dell’aria esterna.
Chiller con Recupero di Calore: Un Approfondimento
Di norma nel settore HVAC i refrigeratori sono impiegati per la sola produzione di acqua fredda. Nella modalità con recupero del calore con chiller raffreddati ad aria, il gas refrigerante caldo lascia il compressore ed entra nello scambiatore di calore dove l’energia nel gas refrigerante si trasferisce ad un circuito autonomo destinato alla produzione dell’acqua calda.
Nei chiller raffreddati ad acqua il processo di recupero del calore è leggermente diverso. Invece dei ventilatori, i refrigeratori raffreddati ad acqua dissipano il calore in un circuito di condensazione che espelle il calore nell’atmosfera attraverso una o più torri di raffreddamento.
Di contro va segnalato lo svantaggio che spesso questa architettura richiede più energia per il funzionamento della macchina rispetto al refrigeratore destinato al solo raffreddamento, poiché il chiller viene fatto funzionare ad una pressione e temperatura di condensazione più elevate. Il recupero del calore del refrigeratore infatti richiede una infrastruttura impiantistica più complessa, oltre che dotata di un controllo più puntuale, al fine di garantire che la temperatura dell’acqua non influenzi i limiti di lavoro della temperatura/pressione del refrigerante.
Così il controller utilizza specifici algoritmi per valutare la pressione del fluido refrigerante, la temperatura dell’aria esterna e altri input per determinare il segnale di uscita appropriato per la regolazione del circuito dell’acqua prelevata per il riscaldamento.
Il risparmio energetico gioca sempre un ruolo importante quando si decide di installare un’applicazione di recupero di calore, poiché come detto di norma questa soluzione richiede sempre un investimento iniziale maggiore.
L’aumento standard del rapporto di efficienza energetica a pieno carico (EER) per i refrigeratori con compressori scroll di varie dimensioni quando si passa da un’unità standard ad un’unità di recupero del calore è di circa 0,5 EER. Questo a pieno carico, ma anche lavorando con carichi parziale l’efficienza risulta migliorata (addirittura rispetto anche al pieno carico).
L’efficacia del recupero di calore varia in base alla progettazione dell’edificio, alla posizione geografica e al profilo dei carichi. Tuttavia, poiché vi è una crescente “attenzione” in merito all’efficienza energetica e alle considerazioni ambientali, il recupero del calore con tutta probabilità diventerà a breve una valutazione quasi automatica sia per le operazioni di retrofit e sia soprattutto per le nuove realizzazioni.
Anche le strutture sanitarie utilizzano grandi quantità di energia per climatizzare a ben determinate (e differenti) temperature ed umidità i loro spazi. Cosi, per andare incontro ad una domanda termica eterogenea con differenti condizioni termoigrometriche la maggior parte degli ambienti possono ritrovarsi a necessitare alternativamente di condizioni di riscaldamento e raffreddamento dai sistemi HVAC.
È importante che il chiller funzioni sempre in vicinanza al 100% del carico di raffreddamento durante il recupero di calore in modo da mantenere il differenziale di pressione di lavoro del gas prossimo a quello di progetto, riducendo così al minimo la quantità di bypass del gas caldo.
Temperature dell’acqua su questi livelli non sono necessarie e di fatto, controproducenti poiché richiedono aumenti significativi dell’energia di raffreddamento, come verrà discusso più avanti.
Opzioni di Recupero del Calore
Nel primo caso, in cui viene utilizzato un solo condensatore, è previsto l’inserimento di uno scambiatore di calore collegato ad un circuito esterno dedicato appunto alla produzione di acqua calda. Una variante di questo sistema di recupero sfrutta l’inserimento di uno scambiatore di calore tra l’uscita dal compressore del gas e il condensatore per cedere una parte di calore (desurriscaldamento) al circuito ad acqua per il riscaldamento.
Nella seconda opzione, distinta per l’utilizzo di due condensatori, il recupero del calore avviene direttamente dal gas caldo nel circuito refrigerante utilizzando un fascio condensante supplementare convogliato in parallelo con il condensatore principale. Il circuito di riscaldamento e il circuito della torre di raffreddamento restano sempre separati, evitando così anche in questo caso la contaminazione incrociata.
Questo refrigeratore può anche funzionare come refrigeratore di solo raffreddamento alla normale temperatura di condensazione. Poiché la temperatura dell’acqua di riscaldamento in uscita da questo tipo di refrigeratore risulta inferiore (ad esempio sui 30 °C), l’impiego del condensatore ausiliario è in genere limitato alle operazioni di preriscaldamento dell’acqua.
Si è detto che nella maggior parte dei chiller dotati di un sistema con recupero di calore, rispetto a quelli con funzionalità standard (senza recupero), si ottiene una temperatura più alta dell’acqua in uscita dal condensatore e di conseguenza si modifica l’efficienza energetica della macchina rispetto ad un chiller in funzionamento standard in solo raffreddamento.
Il ciclo termodinamico, e così il sistema, presenta un’efficienza energetica minore nel funzionamento con recupero di calore, a causa del maggiore differenziale di pressione e della conseguente riduzione dell’effetto di refrigerazione.
In condizioni di carico parziale, se il salto differenziale del refrigerante tra evaporatore e condensatore risulta troppo elevato, un compressore centrifugo può entrare in uno stato conosciuto come il cosiddetto fenomeno di “pompaggio” (surge). Il prolungamento temporale di questa situazione porta a situazioni di criticità finanche alla rottura del compressore e dunque dovrebbe essere quanto più limitato/evitato.
In teoria la quantità di calore in gioco è data dalla somma del carico termico di raffreddamento e dalla potenza del compressore. La quantità massima di recupero di calore arriva al 100% della capacità di refrigerazione per alcuni chiller centrifughi che utilizzano per il recupero un condensatore supplementare.
È sempre consigliabile operare con una bassa temperatura dell’acqua nel circuito di riscaldamento, ovviamente se il processo lo consente. Nella maggior parte dei casi per mantenere un valore prefissato della temperatura di ritorno dell’acqua di riscaldamento deve essere previsto un sistema di controllo della temperatura dell’acqua di riscaldamento.
Quando poi il compressore non lavora (scarico), la differenza di pressione che si deve conseguire al fine di evitare il fenomeno del “pompaggio” rimane essenzialmente la stessa, mentre la capacità del compressore diminuisce.
Se si sta progettando l’utilizzo di un’unità di refrigerazione per produrre dell’acqua di raffreddamento vale di norma prendere in considerazione l’eventualità di consentire un possibile utilizzo della macchina anche per la produzione di acqua calda ai fini del riscaldamento e/o sanitario.
Nelle macchine polivalenti anche i compressori utilizzati spaziano dalle soluzioni alternativo o scroll, ai compressori a vite o centrifughi per le potenze maggiori. I refrigeranti utilizzati, vista anche la continua evoluzione non solo normativa, variano anch’essi dal R-410A all’R-134a per le potenze maggiori, con in alternativa le soluzioni a basso impatto ambientale (GWP) come l’R-513A e l’R-1234ze.
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