LEZIONE 2
Aspetti impiantistici di un sistema geotermico
integrato a pompa di calore.
Principio di funzionamento delle pompe di calore
geotermiche.
Esempi di schemi funzionali di centrale.
a cura di Simone Laprovitera
e-mail: [email protected] tel.: 340.46.87.850
Una considerazione
In natura il potenziale del calore di bassa temperatura per un utilizzo nel
riscaldamento di locali e nei processi è enorme.
Calore residuo, calore ambientale e calore geotermico di bassa profondità
sono disponibili ovunque, salvo poche eccezioni. L’unico scompenso è dato di
regola dal livello di temperatura. Per un impiego diretto quale prestazione di
servizio energetica, questo calore spesso non viene considerato. Con un
processo a ciclo motorizzato questa lacuna è colmabile. A tal proposito la
classica pompa di calore rappresenta una tecnologia chiave per lo
sfruttamento di fonti di energia rinnovabili.
Definizione
La pompa di calore è una
macchina termodinamica in
grado di trasferire il calore da
una “serbatoio” a
temperatura più bassa a un
“serbatoio” a temperatura
più alta.
Analogia Idraulica
La Pompa di Calore, infatti, è capace di
produrre energia per il riscaldamento e
per la refrigerazione e l’acqua calda
sanitaria, energia cioè ad alta
temperatura, impiegando non oltre il
20-25% di energia elettrica ed
utilizzando fino al 75% di energia
prelevata dall’ambiente, un’energia a
bassa temperatura. Se nella produzione
di energia elettrica venisse inoltre
impiegata una quota rilevante di energia
prelevata dall’ ambiente (energie rinnovabili) l’effetto sarebbe ancora maggiore per la protezione dell’ambiente.
In teoria, si potrebbe tendere a un sistema elettrico e a una Pompa di Calore completamente
“verde”, che preleva cioè dall’ambiente il 100% dell’energia necessaria al suo funzionamento.
Tipologie
1 Pompe di Calore a compressione azionate da
motore elettrico
motore endotermico
La reversibilità della macchina può essere o interna
(fluido frigorifero), o esterna (circuito idraulico)
2 Pompe di Calore ad assorbimento alimentate
a gas
a fluidi caldi
Analisi dei componenti della PdC
IL COMPRESSORE
Cos’è?
È il cuore pulsante della pompa di calore come delle macchine frigorifere che operano con ciclo a
compressione di vapore.
Cosa fa?
Provvede ad aspirare il vapore di refrigerante a bassa pressione e a portarlo alla pressione più
elevata necessaria alla condensazione a più alta temperatura.
Quali tipologie esistono?
I compressori sono tradizionalmente classificati secondo due grandi famiglie:
• Compressori volumetrici (positive displacement)
La compressione viene attuata sostanzialmente intrappolando un certo volume di gas alla
pressione di aspirazione, riducendo progressivamente lo spazio a disposizione ed
aumentando quindi la pressione.
• Compressori centrifughi
l’effetto di compressione è dovuto alla forza centrifuga esercitata sul gas da un elemento girante a
velocità relativamente elevata. All’effetto di spinta centrifuga si aggiunge la trasformazione a valle
della girante dell’energia cinetica acquistata dal gas in energia di pressione per progressiva riduzione
di velocità in un elemento diffusore (voluta)
IL COMPRESSORE – limiti di impiego
IL COMPRESSORE – Modulazione di potenza
On - Off
Il compressore, in seguito ad un comando di avvio (ON), lavora nelle condizioni nominali fino a
quando riceverà un comando di fermo (OFF). Generalmente i due comandi sono vincolati a due
valori di temperatura.
Questa modalità operativa presenta una serie di svantaggi.
• I due set point di temperatura devono essere abbastanza distanziati per evitare un numero
eccessivo di partenze e fermate soprattutto in presenza di carichi ridotti.
• Maggiore è la distanza fra il valore di set point di partenza da quello di fermata, maggiore è
l’oscillazione di temperatura nell’ambiente riscaldato con possibile disagio per gli occupanti.
• Il funzionamento in attacca-stacca riduce il valore del COP per le perdite che si realizzano nella
fasi transitorie di fermata e soprattutto di ripartenza.
• Ogni ripartenza del compressore è un piccolo trauma per il motore elettrico del compressore con
relativa microincisione sull’avvolgimento e rischio di guasto precoce.
• Ogni ripartenza della macchina presenta una coppia di spunto con possibile momentaneo e
fastidioso abbassamento della tensione.
IL COMPRESSORE – Modulazione di potenza
Modulazione continua
variazione continua nella velocità di rotazione del compressore mediante Inverter, ovvero
mediante un dispositivo elettronico in grado di modificare la frequenza della corrente elettrica
alternata, sia nel senso di aumentarla rispetto ai 50 Hz della rete, sia di ridurla .
I vantaggi del funzionamento con inverter si possono così elencare:
• Maggiore benessere degli occupanti dal momento che istante per istante si fornisce esattamente
il carico richiesto.
• Maggiore rendimento del sistema con valori di COP ai carichi parziali addirittura migliori che a
carico nominale. Infatti a carico parziale in questo caso le portate di refrigerante che devono trarre
calore dall’evaporatore e fornirlo al compressore sono minori e quindi con le superfici di scambio
messe a disposizione le differenze di temperatura si riducono e il ciclo diventa più favorevole.
• La partenza della macchina può essere molto dolce senza sbalzi di tensione perché viene attuata
alla minima velocità di rotazione e poi il compressore viene accelerato dall’inverter alla velocità di
rotazione richiesta.
Gli svantaggi dell’inverter sono da un lato il maggiore costo e dall’altro un assorbimento di potenza
dovuto alle trasformazioni sulla corrente elettrica che riduce il rendimento di qualche punto
percentuale al carico nominale della macchina.
Compressori con iniezione di liquido o vapore
Iniezione di liquido o di vapore di refrigerante a ridotta
temperatura nella fase intermedia di compressione. Questa
iniezione consente tramite la successiva evaporazione di
refrigerante di attuare un raffreddamento intermedio che
riduce in modo apprezzabile il lavoro di compressione, in
particolare quando il compressore per valori di temperatura
di evaporazione molto bassa deve operare con elevati
rapporti di pressione.
Al compressore arriva del vapore ad una pressione
intermedia la cui temperatura è ridotta rispetto a quella del
vapore compresso fino a quella pressione. Infatti dal
condensatore il refrigerante ha subìto una prima
laminazione con riduzione di temperatura da 1 a 2. Ne
deriva una temperatura più ridotta per la successiva
compressione fino al valore finale con un più limitato valore
complessivo del lavoro di compressione.
Analisi dei componenti della PdC
EVAPORATORE E CONDENSATORE
Q = K x S x ΔT
Se S aumenta, si incrementa la capacità di
scambio dello scambiatore e a parità di portata
diminuiscono le perdite di carico.
Analisi dei componenti della PdC
ORGANO DI LAMINAZIONE
Capillare
Analisi dei componenti della PdC
ORGANO DI LAMINAZIONE
Valvola Termostatica
Valvola che può avere gradi diversi di apertura in funzione di
un segnale di comando, fornito di solito dal grado di
surriscaldamento all’uscita dell’evaporatore. Nella figura si
vede appunto la valvola che può muoversi in direzione
verticale verso l’alto o il basso, lasciando passare una minore
o una maggiore quantità di refrigerante a seconda della
pressione del gas contenuto nel soffietto superiore,
pressione determinata dalla temperatura all’uscita
dell’evaporatore, dalla pressione di taratura di una molla di
regolazione e dalla pressione di evaporazione. Qualora il
grado di surriscaldamento tenda a crescere viene esercitata
una maggiore pressione sul soffietto che fa scendere la
valvola e consente l’ingresso di una maggiore quantità di
refrigerante. Questo fa scendere il grado di
surriscaldamento.
Qualora invece il grado di surriscaldamento scenda rispetto
al valore prefissato, vi sarà una minore pressione sul soffietto
e di conseguenza la valvola tenderà a chiudere. In questo
modo una minore quantità di refrigerante passerà
nell’evaporatore e il grado di surriscaldamento risalirà.
Valvola Termostatica
La posizione della valvola è comandata da un
microprocessore con un motorino passo passo.
Il deflusso di refrigerante viene regolato in
funzione di una serie di parametri, il più
importante dei quali potrebbe essere il grado
di surriscaldamento che in questo caso si può
fissare a valori molto ridotti.
Il refrigerante: le sue caratteristiche
q buone proprietà termodinamiche
q elevata potenza refrigerante volumetrica (piccolo compressore)
q livello di pressione appropriato per il campo di utilizzo (temperatura critica
sufficientemente alta e temperatura di indurimento sufficientemente bassa)
q basse perdite di carico durante la circolazione
q chimicamente e termicamente stabile
q non velenoso
q non infiammabile
q buon miscelamento con lubrificanti
q nessun potenziale di distruzione dell’ozono e nessun o debole potenziale sull’effetto
serra
q economico
Principio di funzionamento
Il procedimento principalmente utilizzato oggi nella tecnica delle pompe di
calore é il ciclo di compressione del vapore saturo. Un refrigerante evapora in
questo caso nella parte fredda del ciclo, assorbendo una quantità di calore
d’evaporazione più grande possibile. Dopo la compressione in un compressore,
mediante la cessione di calore di condensazione nella parte calda del ciclo, il
fluido ritorna nuovamente allo stato liquido. In una valvola d’espansione infine il
fluido viene portato di nuovo alla pressione d’evaporazione. In tutti gli impianti
che lavorano secondo questo principio si sfrutta la dipendenza dalla pressione
delle temperature di evaporazione e condensazione.
Analisi Termodinamica
Caso Ideale
Prelievo a 0°C dalla sorgente fredda
Produzione a 40°C
Recupero totale e desurriscaldatore
Un’ottima soluzione per poter produrre ACS a costo
limitato (o zero)
Conviene sempre?
LE POMPE DI CALORE A GAS
Soluzione ricca
Qc
Qg
G.U.E=
Qc + Qa
Qg
Gas Utilization Efficiency
Qa
Soluzione povera
Qe
Assorbitore: il fluido frigorigeno viene assorbito dal fluido assorbente, rendendolo nuovamente liquido.
Generatore: la soluzione liquida dei fluidi frigorigeno ed assorbente (acqua e ammoniaca) viene riscaldata nel generatore per mezzo di un bruciatore a gas, separando il fluido
refrigerante (ammoniaca), che evapora aumentando di temperatura e di pressione.
LE POMPE DI CALORE: ELETTRICHE O A GAS ?
Ogni tecnologia trova il suo campo di applicazione
Le pompe di calore a GAS hanno una bassissima efficienza nella
produzione di freddo. Non idonee quando l’impianto è sbilanciato
verso la climatizzazione estiva
Le pompe di calore a GAS hanno una buona efficienza quando si
deve produrre acqua ad alta temperatura (ma allora installo una
caldaia!)
Il vantaggio nell’utilizzo delle pompe di calore a gas è tanto
maggiore quanto più basso è il rendimento di produzione
nazionale dell’energia elettrica
LE POMPE DI CALORE: ELETTRICHE O A GAS ?
A parità di potenza condensatore (utenza) nel caso di utilizzo delle
pompe di calore a gas la potenza all’evaporatore può essere fino al
30% minore rispetto a quella che si avrebbe utilizzando una PdC
elettrica
Si perdono tutti i benefici i termini di sicurezza e costi gestionali
Gli impianti di distribuzione
Un sistema geotermico fornisce prestazioni elevate
se accoppiato ad un sistema di distribuzione
interno funzionante a bassa temperatura.
Pannelli radianti
Fan coil
Travi fredde
Pannelli radianti
Q = 8,92 (Tp – Ta)1,1
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Travi fredde
