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.
Principi di Funzionamento
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.
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). Essendo la temperatura del locale (TB) inferiore rispetto a quella dell’aria esterna (TA), affinché il sistema funzioni correttamente ed il passaggio di calore avvenga dall’interno verso l’esterno, c’è bisogno di lavoro (L) fornito da un serbatoio di energia meccanica (SEM). Il locale e l’aria esterna possono essere considerati serbatoi di energia termica (SET).
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.
Tipologie di Pompe di Calore
Esistono molteplici tipologie di macchina frigorifera/pompa di calore, a seconda del funzionamento e della modalità con cui viene fornita l’energia meccanica:
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- 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:
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!
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.
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.
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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.
Unità Polivalenti: Cosa Sono e Come Funzionano
Spesso il mercato tende ad associare il funzionamento delle unità polivalenti a quello delle pompe di calore, quindi è necessario dare una definizione della unità cercando di essere quanto più semplici e diretti possibili e partendo da ciò che una polivalente NON è.
Una unità polivalente NON è una pompa di calore reversibile e NON è un chiller. Viene realizzata per sfruttare, grazie alla complessità della sua logica di funzionamento e del suo circuito, la possibilità di produrre simultaneamente acqua calda e acqua fredda.
Una unità polivalente può produrre caldo, freddo o caldo + freddo, questo è vero. È altrettanto vero che per le logiche di funzionamento e la gestione del gas refrigerante e dei ritorni d’olio, ha la necessità di scambiare, rotare e sbrinare i circuiti secondo la logica impostata in fabbrica essendo una unità nata per funzionare per la maggior parte del suo tempo a ciclo combinato (CALDO + FREDDO).
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Questo fa sì che in una unità polivalente debba essere garantito sempre il flusso sul circuito del caldo e su quello del freddo (POMPE in ON) dato che la mancanza di flusso, oltre a poter danneggiare l’unità, genera allarmi che portano al fermo preventivo della stessa.
Ne consegue che il corretto dimensionamento di una polivalente porta con sé dei benefici in termini di risparmio energetico e di risparmio costruttivo. A questo punto, in tutti quegli impianti in cui la simultaneità di funzionamento NON è necessaria, si utilizzeranno pompe di calore reversibili.
Simultaneità dei Carichi
La simultaneità dei carichi: l’unità polivalente nasce per soddisfare le esigenze di una presenza di carichi caldi e freddi contemporanei. Il saper valutare questo, permette poi di comprendere meglio i vari suggerimenti che andremo a definire. Nelle unità polivalenti, ogni costruttore affronta secondo la propria esperienza alcuni temi tecnicamente complessi come la migrazione del refrigerante durante gli stati transitori, lo spostamento forzato dello stesso, il ritorno dell’olio e la gestione di tutta la componentistica secondo una complessa logica proprietaria.
Tale per cui l’applicazione è il massimo, anche dal punto di vista dei rendimenti nonché dell’affidabilità del prodotto, quando il progettista valuta che vi sia la presenza di carichi freddi e caldi per la maggior parte del periodo di utilizzo dell’impianto.
Indipendenza dei Circuiti
A differenza delle pompe di calore per cui, per via dello scambiatore comune, si è suggerito di non eseguire un dimensionamento a dT diversi tra il caldo ed il freddo, le polivalenti accettano questa possibilità essendo i circuiti del caldo e del freddo indipendenti tale per cui possono essere ottimizzati per funzionamenti seppur simultanei, con dT diversi.
Dimensionamento al Picco Massimo Invernale
In quanto polivalente, questo dimensionamento ha un impatto molto negativo sull’impianto e sulla sua gestione. Per capire questo, oltre a tenere conto di tutte le considerazioni riportate nell’articolo inerente le pompe di calore reversibili si prega di analizzare quanto segue.
Nel funzionamento polivalente (caldo + freddo), la condensazione avviene in acqua per cui i ventilatori della unità risulteranno spenti. In questa condizione (POLIVALENTE) la unità non risente della temperatura di aria esterna. Tale condizione porta ad avere sempre le rese prossime a quelle nominali della macchina ed il che significa che il dimensionamento al picco massimo invernale fa schizzare in alto la effettiva resa della polivalente e nella maggior parte dei casi queste macchine risultano ridondanti rispetto ai carichi effettivi dell’impianto.
Flusso d’Acqua Circuito Caldo e Flusso d’Acqua Circuito Freddo
Appurato che il dimensionamento della polivalente al picco massimo invernale porta un effetto completamente NEGATIVO sull’impianto, andiamo a valutare come nella realtà questo va ad incidere anche sui consumi effettivi e sul bilanciamento energetico dell’intero sistema.
Le unità polivalenti, per quanto spiegato sopra, hanno necessità di eseguire costantemente e secondo propria logica degli scambi in base agli stati ed ai tempi necessari per i vari richiami di olio e refrigerante. Questo comporta che nell’unità polivalente le pompe del circuito freddo e le pompe del circuito caldo debbano essere sempre in ON poiché il flusso va garantito costantemente (da qui l’importanza anche degli adeguati volumi inerziali).
Pompe in ON si traduce in un consumo di corrente che seppur minimo nel complesso di un grande impianto, è presente ed il dimensionamento al picco di carico invernale che porta ad un sovradimensionamento della unità fa sì che in questo caso i risvolti sull’impianto siano doppiamente peggiorativi rispetto a quanto può accadere nelle pompe di calore reversibili andando a peggiorare nel complesso il bilancio energetico globale e andando ad enfatizzare in maniera ancora più estrema il discorso della ridondanza della macchina e del suo grado di sicurezza all’interno del progetto.
Per esperienza, è uno degli aspetti maggiormente trascurati dai progettisti e su cui abbiamo il compito di poter essere da guida trasformandolo in un beneficio per il corretto funzionamento della unità nonché in un risparmio generalizzato per l’utente finale (corrente, dimensionamento pompe, dimensionamento valvole, piping, isolamenti, volumi inerziali).
Considerazione dei Volumi Inerziali
Vale ovviamente quanto riportato al paragrafo relativo alle pompe di calore reversibili. In aggiunta, ci sentiamo di dire che mentre per le pompe di calore reversibili potrebbe essere accettato come condizione estrema anche il funzionamento diretto e cioè senza una adeguata riserva inerziale, questo NON È ASSOLUTAMENTE possibile in presenza di unità polivalenti.
Nelle nostre schede tecniche sono pertanto presenti note tecniche che richiamano ad una adeguata scelta dei volumi inerziali. Perché? Perché le unità polivalenti sono regolate e messe a punto su dei tempi macchina che spesso non coincidono con i tempi dell’impianto (immaginate che nel momento in cui la unità polivalente sta producendo freddo, arriva una richiesta di caldo » la richiesta mette in moto una serie di aperture, chiusure e tempi macchina tali per cui l’impianto NON sentirebbe subito l’effetto che invece DEVE essere compensato dalle adeguate riserve inerziali / così come se durante un cambiamento di stato come quello sopra descritto, l’impianto non avesse più necessità di caldo » a quel punto la polivalente, per esigente funzionali, dovrà comunque completare il suo cambio di stato, lavorare in quella modalità per i tempi programmati, per poi tornare allo stato iniziale).
In questa direzione, il suggerimento riguarda la simultaneità dei carichi: va sempre fatto notare per che cosa nascono queste unità, come funzionano nel contesto di un impianto (flussi, riserve inerziali) e soprattutto va sempre posto come primo dato tecnico su cui discutere la resa nel funzionamento per cui esse vengono progettate (CALDO + FREDDO).
Il Suggerimento Impiantistico
Spesso e volentieri, come costruttori, ci troviamo a dover accettare dei vincoli progettuali che possono sembrare insormontabili come quello del dimensionamento a condizioni critiche in special modo nel funzionamento solo caldo.
Immaginando che chi valuti dall’altra parte abbia già ascoltato i vari suggerimenti e le varie note relative al miglio modo di dimensionare una polivalente ma che alla fine voglia comunque perseguire una sua sicurezza in termini di criticità dell’impianto e di soddisfazione dell’utente finale anche nelle condizioni più estreme, si può proporre una soluzione impiantistica fatta da una unità polivalente dimensionata tenendo conto dei nostri suggerimenti da costruttore accoppiata (significa che andranno a scaldare lo stesso circuito primario / serbatoio del caldo) con una pompa di calore che invece andrà eventualmente a sopperire solo a quei fabbisogni a condizioni proibitive (e qui si rimanda al suo corretto dimensionamento).
Se arrivati a questo punto abbiamo valutato le note relative alla gestione del flusso dell’acqua in una polivalente, noteremo che la soluzione polivalente + pompa di calore permette di mantenere in OFF la pompa di calore fino a quando non vi è reale necessità abbattendo i costi accessori nel momento in cui l’utilizzo sarà pari a zero (macchina in OFF = pompe in off).
Altri Accoppiamenti Possibili
Restando in tema di impianti, per fortuna si assiste molto meno alla richiesta di polivalenti per la produzione di acqua calda ad alta temperatura ma il sistema si presta, se c’è sempre o quasi sempre fabbisogno di freddo, per produrre acqua a bassa temperatura (heating) ed utilizzare la stessa come acqua al condensatore (tramite serbatoio inerziale mantenuto a 40/45 °C) per booster a R134a (tecnologia scroll) che permettono poi di portare l’acqua fino a circa 75..80 °C.
i-FX-Q2 Integra
Combinando la logica Integra con la tecnologia inverter, applicata sia ai compressori sia ai ventilatori, i-FX-Q2 fa un ulteriore passo avanti in termini di efficienza. La modulazione in continuo della velocità di rotazione dei compressori e dei ventilatori permette infatti all’unità di seguire con precisione estrema qualsiasi combinazione di carico termico, garantendo un utilizzo ottimale della potenza assorbita e sprechi energetici sensibilmente ridotti.
Disponibile con capacità frigorifere da 341 a 1124 kW, la pompa di calore polivalente i-FX-Q2 può essere ulteriormente personalizzata in base a specifiche richieste progettuali. Le pompe di calore i-FX-Q2 Integra montano due compressori VSD (Variable Speed Drive) installati su due circuiti completamente indipendenti. Una configurazione pensata per assicurare una manutenzione semplificata dei componenti e una perfetta ridondanza dei circuiti.
La tecnologia inverter assicura inoltre correnti di spunto minime, inferiori a qualunque altra modalità di avviamento. Con la pompa di calore polivalente i-FX-Q2 le emissioni sonore sono tanto più ridotte quanto più spinta è la parzializzazione. Considerando unità analoghe con un carico pari al 50% rispetto al massimo erogabile dall’unità, i-FX-Q2 assicura una diminuzione dei livelli sonori di 5 dB rispetto ad unità a velocità fissa, garantendo il massimo comfort acustico per la maggior parte dell’anno.
+2P è l’innovativa soluzione per la produzione di acqua ad altissima temperatura. In aggiunta alla produzione di acqua fredda a 7-12°C e acqua calda a 40-45°C, il modulo +2P, installato all’interno dell’unità Integra, permette di produrre contemporaneamente acqua calda sanitaria con temperature fino a 78°C.
Serie NRP
Grazie alla Multiscroll Technology e grazie all’uso del fluido ad alta efficienza R410A, la serie dei refrigeratori e pompe di calore NRP permette di ottenere notevoli risparmi in bolletta, sia nella climatizzazione estiva, sia nel riscaldamento e nella produzione di acqua calda sanitaria. La serie NRP è amica dell’ambiente.
Grazie alla tecnologia polivalente, che consente minimi consumi e massima efficienza, all’uso del fluido refrigerante R410A, innocuo per l’ozono e all’impiego dei compressori scroll di ultima generazione, contribuisce alla riduzione delle emissioni di CO2.
Con la pompa di calore polivalente NRP la potenza termica recuperata, sia per l’impianto di riscaldamento nella versione 4 tubi che per la produzione di ACS nella versione a 2 tubi, è resa indipendente dall’erogazione della potenza frigorifera. La semplificazione dell’impianto si traduce in una significativa riduzione delle operazioni da prevedere in cantiere.
La notte, quando il carico termico è ridotto, si riduce la velocità dei ventilatori esterni. Copre tutte le esigenze di produzione di energia termica, energia frigorifera e produzione di acqua calda sanitaria in un unico impianto, progettato per soluzioni che richiedono ingombri minimi, lasciando disponibili spazi (all’interno dell’edificio, o nelle sue pertinenze) che possono essere utilmente impiegati in altro modo (es.
È la scelta ideale per tutte le applicazioni impiantistiche in cui le richieste di caldo e di freddo ambienti e/o per la produzione di acqua calda sanitaria sono contemporanee e indipendenti.
| Caratteristica | Vantaggio |
|---|---|
| Tecnologia Polivalente | Minimi consumi e massima efficienza |
| Fluido Refrigerante R410A | Innocuo per l'ozono |
| Compressori Scroll di Ultima Generazione | Riduzione delle emissioni di CO2 |
| Indipendenza Potenza Termica e Frigorifera | Semplificazione dell'impianto |
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