Funzionamento e Caratteristiche Tecniche delle Pompe di Calore

Funzionamento delle Pompe di Calore

Nella climatizzazione di un ambiente il sistema di produzione (calore e/o freddo) può essere costituito da una pompa di calore. Questa tipologia di macchina termica garantisce un'elevata efficienza energetica, assicurando prestazioni molto elevate e un risparmio energetico significativo. Inoltre possono essere utilizzate sfruttando sorgenti di calore da energia rinnovabile, come ad esempio la geotermia a bassa entalpia, il solare termico e le biomasse.

Le pompe di calore sono macchine termiche il cui scopo è quello di trasferire il calore da un fluido a temperatura più bassa ad un fluido a temperatura più alta.

Il fenomeno di compenso, come per le macchine frigorifere, è lavoro meccanico (energia elettrica) che si trasforma in calore (pompe di calore a compressione), oppure trasformazione di calore a temperatura più alta in calore a temperatura più bassa (pompe di calore ad assorbimento). Macchine frigorifere e pompe di calore hanno funzionamenti simili, cambiano le temperature operative di funzionamento e la fase utile del ciclo.

Le pompe di calore possono funzionare in configurazione invernale (pompa di calore), ma anche in configurazione estiva (macchina frigorifera), invertendo il ciclo del fluido termodinamico (valvola a 4 vie di inversione del ciclo).

La figura 1 mostra lo schema di funzionamento della pompa di calore in diverse modalità (a compressione e assorbimento), confrontandola con l'analoga macchina frigorifera.

Le pompe di calore sono costituite da un circuito chiuso all'interno del quale scorre un fluido frigorifero (R134a, R32, R125, R507, etc.) che a seconda delle condizioni di pressione e temperatura in cui si trova assume lo stato liquido o di vapore.1 2 3 4 5 6 Il ciclo è realizzato attraverso le fasi di evaporazione, compressione condensazione ed espansione (stesse del ciclo frigorifero), come mostrato nella figura 2.

Q Q Q T1 Fase utile Q L Q+L Q L Fenomeno di compenso L PDC Q Q T1 T2 Q+L L L L MF L Q Q Q T2 Fase utile L Q L Temperatura Ambiente T0 Q Fenomeno di compenso Q Q 83 5 4 6 5 7 6 8 Q 7 9 9 Q Q Q L T1 Q Fenomeno di compenso T1 Fenomeno di compenso Q Q L PDC T3 Fase utile L Q Q L Q Q' MF Q+Q' T3 Q T2 L L L Q' Q Q Q Fase utile T2 Figura 1: Schemi di funzionamento delle pompe di calore e delle macchine ad assorbimento.

compressore condensatore evaporatore calore sottratto dall'ambiente (aria, acqua o terreno) calore ceduto al fluido (aria o acqua) valvola di espansione Figura 2: Schema della pompa di calore a compressione.

Q Q Q Q Q L Q 1 2 3 5 6 4 2 L Temperatura Ambiente To Q L L Q Q L Q L L Q+Q'Le trasformazioni sono descritte di seguito:

• Evaporazione: a causa della bassa pressione, il fluido evapora sottraendo calore latente di evaporazione;

o Compressione: il fluido allo stato di vapore a bassa pressione viene compresso, assorbendo anche una parte di calore dal compressore;

o Condensazione: a causa dell'alta pressione, il fluido condensa cedendo calore latente di condensazione;

o Espansione: il fluido allo stato liquido ad alta pressione passa attraverso la valvola, raggiungendo l'evaporatore a bassa pressione.

Le figura 3a e 3b mostrano rispettivamente il funzionamento estivo ed invernale della pompa di calore.

Evaporatore e condensatore sono degli scambiatori di calore all'interno dei quali scorre il fluido frigorifero.

Nella pompa di calore reversibile i 2 scambiatori possono invertire il funzionamento (l'evaporatore diventa condensatore e viceversa).

La valvola di espansione serve a mantenere la differenza di pressione tra il condensatore e l'evaporatore.valvola deviatrice condensatore evaporatore ambiente da riscaldare compressore ambiente esterno a) valvola di espansione valvola deviatrice evaporatore condensatore ambiente da raffrescare compressore ambiente esterno b) valvola di espansione Figura 3: Funzionamento invernale (a) ed estivo (b) della pompa di calore.

Prestazioni delle Pompe di Calore

La figura 4 riporta sul Piano T-s i cicli termodinamici che la pompa di calore può compiere, sia in modalità pompa di calore che in modalità macchina frigorifera. Cambiano ovviamente le temperature del ciclo (più alte per la modalità pompa di calore), cambia la fase utile del ciclo e cambia anche la temperatura ambiente che è ovviamente più alta in estate che in inverno. Le configurazioni impiantistiche della macchina che opera in modalità pompa di calore e macchina frigorifera sono rispettivamente riportati in figura 5 e in figura 6.

Cı T d Funzionamento come pompa di calore C FIG Tı D E D Tae Tai B T2 A1 B A Funzionamento come macchina frigorifera T1= temperatura utilizzatore caldo; To e= temperatura ambiente in estate; To.i = temperatura ambiente in inverno; T2= temperatura utilizzatore freddo. Figura 4: Cicli termodinamici della pompa di calore sul piano T-s.

stato C1 u c Tựu stato E1 pu ve k stato B1 stato A1 al Tei e Teu pa e = evaporatore; k = compressore; c = condensatore; ve = valvola di espansione; u= utilizzatore; pu = pompa utilizzatore; al = alimentatore; pa = pompa alimentazione; T temperatura fluidi esterni (indici: u = uscita, i = ingresso; u = utilizzatore) Figura 5: Funzionamento in modalità pompa di calore.

Twu stato C' al Twi c stato E p2 ve k stato B stato A + Tfi u e Ifu plFigura 6: Funzionamento in modalità macchina frigorifera.

La prestazione della pompa di calore, nel caso di funzionamento invernale, viene espressa dal coefficiente di prestazione COP, definito come il rapporto tra l'energia utile fornita all'ambiente (calore ceduto all'impianto termico) e l'energia elettrica utilizzata dal compressore:

COP = Q1 / L

Il COP può assumere valori molto diversi, in genere è circa 2,5-3 ma può arrivare anche a 5.

La prestazione della pompa di calore, nel caso di funzionamento estivo, viene invece espressa dal Rapporto di Efficienza Energetica EER (Energy Efficiency Ratio) definito dal rapporto tra la potenza frigorifera sottratta in raffrescamento e la potenza elettrica utilizzata dal compressore:

EER = Q2 / L

Anche l'EER può assumere valori molto diversi, in genere è circa 2,5-3 ma può arrivare anche a 5.

Ricordando il Primo Principio della Termodinamica:

Q1 = Q2 + L

Sostituendo Q1 nella definizione di COP otteniamo:

COP = (Q2 + L) / L

Ovvero:

COP = (Q2 / L) + 1

E cioè ricordando la definizione di EER:

COP = EER + 1Il COP aumenta quanto più bassa è la temperatura a cui il calore è ceduto nel condensatore e quanto più alta è la temperatura della sorgente da cui viene assorbito calore nell'evaporatore (inv. proporzionale a differenza temperatura tra ambiente e sorgente termica).

COP = 3 significa che devo consumare 1 kWh di energia elettrica per ottenere 3 kWh di calore.

il COP non considera la potenza elettrica necessaria per il funzionamento del ventilatore, in quella ad acqua non vi è considerato il consumo di pompaggio relativo alla sorgente termica; tutti questi dati devono essere considerati in fase di valutazione dell'impianto.

EER = 3 di energia elettrica significa che se il compressore consuma 1 kWh la pompa di calore sottrae in raffrescamento 3 kWh di calore

In una pompa di calore reversibile risulta sempre COP>EER.

Caratteristiche Tecniche delle Pompe di Calore

Sorgente Fredda

Lo scopo della pompa di calore è quello di trasferire il calore a bassa temperatura (evaporatore) e renderlo disponibile ad una temperatura maggiore.

Le principali sorgenti fredde sono:

• Aria esterna (funzionamento invernale) o aria interna (funzionamento estivo)
• Acqua (di falda, di fiume, di lago, di mare)
• Acqua in serbatoio (scaldata da fonte rinnovabile)
• Terreno (sonde geotermiche)

La pompa di calore aria-aria sottrae il calore all'aria esterna e fornisce calore all'aria per il riscaldamento degli ambienti interni (SPLIT o MULTISPLIT). In figura 7 e 8 sono mostrate rispettivamente l'unità esterna e l'unità interna (split).

Figura 7: Unità esterna.

Figura 8: Macchina interna (split).

La pompa di calore aria-acqua sottrae il calore all'aria esterna e fornisce calore all'acqua per il riscaldamento degli ambienti interni (terminali come ventilconvettori e pannelli radianti).

La pompa di calore acqua-aria sottrae il calore all'acqua e fornisce calore all'aria per il riscaldamento degli ambienti interni.

La pompa di calore acqua-acqua sottrae il calore all'acqua e fornisce calore all'acqua per il riscaldamento degli ambienti interni (terminali come ventilconvettori e pannelli radianti).

Le pompe di calore più diffuse sono aria-aria e aria-acqua (discorso a parte per le fonti rinnovabili).Le temperature tipiche delle sorgenti di calore utilizzate dalle pompe di calore sono mostrate in tabella 1.

Temperature delle Sorgenti di Calore

Sorgente di calore	Campo di temperatures
Aria esterna	-10℃- 15℃
Acqua di falda	2°C-10℃
Acqua di lago	0℃-10℃
Acqua di fiume	0℃-10℃
Acqua di mare	3ºC-8℃
Terreno	0°C-10℃

Tabella 1: Temperature tipiche delle sorgenti di calore.

La temperatura dell'aria calda in uscita dalla pompa di calore è intorno a 33-40°C, mentre l'acqua calda in uscita dalla pompa di calore è intorno a 50°C.

L'aria è la sorgente fredda più utilizzata ma fa perdere di efficienza la macchina termica a causa della variabilità nel corso della giornata e delle temperature minime che si possono raggiungere in inverno.

L'acqua ha meno variabilità ma ha altre problematiche (costi del pozzo per acqua di falda, corrosioni per acqua di mare). Inoltre problematiche ambientali di cessione di calore ai corpi idrici.

Sistemi a Espansione Diretta

I sistemi a espansione diretta, detti anche VRF (Variant Refrigerant Flow) o VRV (Variant Refrigerant Volume) sono una tipologia di sistemi multisplit per la climatizzazione di strutture medie e grandi (centri commerciali, edifici uffici, ... ) sono caratterizzati dal fatto che nella rete di distribuzione alle utenze circola un gas refrigerante (HFC) e non acqua.Il fluido refrigerante proviene dalla macchina pompa di calore/frigorifera (detta motocondensante) e il sistema può contemporaneamente raffrescare e scaldare a seconda delle esigenze.