Cicli frigoriferi

UNIVERSITA’ DI FIRENZE
Facoltà di Ingegneria
Dipartimento di Energetica
“S.Stecco”
Cicli Inversi
I cicli inversi hanno lo scopo di asportare calore da una
sorgente fredda (Cicli frigoriferi) o di trasferirlo ad una
sorgente calda (Pompe di calore)
Ciclo Frigorifero
L’effetto utile è Q2
Pompa di calore
L’effetto utile è Q1
Necessitano di energia in ingresso sotto forma di lavoro
meccanico o diversa (chimica, elettrica, termica)
Il termine di confronto termodinamico è costituito dalla
macchina inversa di Carnot
Assorbe il minimo possibile di energia meccanica
(macchina reversibile) con l’effetto di ….
sottrarre calore Q2 alla sorgente fredda a T2 (frigorifero)
trasferire calore Q1 alla sorgente calda a T1 (pompa di calore)
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Macchina inversa di Carnot
La macchina inversa di Carnot
trasformazioni termodinamiche
Due trasformazioni di scambio termico
isoterme
opera
con
quattro
T
Risulta
ottimale adottare trasformazioni di
scambio termico a temperatura costante
– Riducono al minimo le irreversibilità connesse
allo scambio termico con differenza finita di
temperatura
– Nella tecnica l’unica possibilità di realizzarle è
di ricorrere a sistemi con transizione di fase,
dove la trasformazione isobara diventa anche
isoterma
T1
Q1
T2
Due trasformazioni (compressione ed
espansione) adiabatiche isentropiche
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Q2
s
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Coefficiente di prestazione -1
Per i cicli inversi, si parla spesso di COP (Coefficiente di prestazione)
rapporto tra effetto energetico utile ed energia spesa (es. lavoro)
Il concetto di rendimento dei cicli diretti non è direttamente applicabile
E’ normalmente superiore all’unità
Ciclo frigorifero
l’effetto utile è il calore Q2 asportato dalla sorgente fredda, il COP è dato da:
COPFR = Q2/W
Pompa di calore
l’effetto utile è il calore Q1 ceduto alla sorgente calda;
il COP è dato da:
COPPC = Q1/W
Macchina frigorifera di Carnot
Per le note proprietà del ciclo reversibile
(∆s = costante):
COPFR = Q2/W = T2/ (T1 - T2) = 1/ (T1/T2 – 1)
COP
40
35
30
25
20
15
10
5
0
COP_FR_Carnot
T1/T2
1
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1,05
1,1
1,15
1,2
1,25
1,3
1,35
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Coefficiente di prestazione -2
I due Coefficienti di Prestazione COPPC e COPFR risultano collegati
Ricordando la conservazione dell’energia
W + + Q 2+ + Q 1- = 0
ovvero:
|W| + |Q2| = |Q1|
Dalle definizioni di Coefficiente di Prestazione:
COPPC = Q1/W = (|Q2| + |W|) /W = COPFR + 1
il COPPC della pompa di calore (a parità di macchina e di ciclo) risulta superiore di 1 al
COPFR della macchina frigorifera
Rappresenta un importante punto di attrazione della pompa di calore
La pompa di calore rilascia una quantità di calore pari alla somma del calore assorbito
dall’ambiente e del lavoro fornito al ciclo
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Unità di misura
E’ comune nella tecnica
frigorifero in frigorie/ora
esprimere
l’effetto
Tale unità di misura non dovrebbe essere più usata in
quanto non prevista (S.I.)
Si definiscono frigorie le kCal sottratte ad una
determinata sorgente.
1 kCal = 4.1867 kJ;
per cui
1.0 kW= (1/4.1867)/(1/3600)=860 frig/h
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Ciclo Frigorifero a Compressione Semplice - 1
Le trasformazioni del ciclo sono le seguenti:
1-2 Espansione adiabatica isentropica da p1 a p2
la
trasformazione inizia dal punto 1 (liquido saturo) e
termina in condizioni di vapore umido
–In figura é rappresentata come effettuata in una turbina, ma
solo in impianti di grandi dimensioni può valere la pena di
recuperare il lavoro di espansione (Difficoltà nell’espansione
di un fluido bifase con bassissima frazione di vapore)
maggior parte dei casi, l’espansione é realizzata
in una valvola od in un capillare
T
4R
Nella
–Senza produzione di lavoro
–La trasformazione è para-isoentalpica (Q = 0; W = 0; h2 = h1)
T1
1
4
–Il fluido esce dal dispositivo di laminazione con un titolo x2R
maggiore di x2 (espansione isoentropica)
T2
3
s
2 2R
Le linee blu rappresentano la T all’interno della
cella frigorifera (bassa) e la T ambiente (alta)
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Ciclo Frigorifero a Compressione Semplice - 2
2-3 Evaporazione isobara
La
trasformazione, all’interno della curva limite, è anche isoterma
–Il punto 3 si trova generalmente sulla curva limite superiore
Nel
Ciclo Frigorifero, tale fase determina l’effetto utile
–sottrazione del calore Q2 dalla sorgente fredda
3-4 Compressione adiabatica isentropica da p2 a p1
Realizzata
in modo adiabatico ma irreversibile (e quindi non
isentropico) in una macchina dedicata (compressore)
–Il rendimento termodinamico non è unitario
–Inizia dal punto 3 (vapore saturo) e termina in condizioni di vapore
surriscaldato. I compressori utilizzati vanno dagli alternativi (piccole
potenzialità) a quelli a vite ed infine ai centrifughi (grandi potenzialità). T
1
T
4R
1
4
4-1 Condensazione isobara
La
trasformazione, nel campo del vapore saturo, è anche
isoterma
T2
In tale fase viene fornito il calore Q1 alla sorgente calda
3
s
2 2R
–Effetto utile nel caso delle pompe di calore
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Ciclo Frigorifero a Compressione Semplice - 3
Piano termodinamico entalpiapressione (p-h)
p
1
4 4R
Nelle applicazioni frigorifere è spesso
utilizzato il piano termodinamico
entalpia-pressione (p-h)
consente di visualizzare con segmenti
orizzontali gli scambi energetici (sia
sotto forma di lavoro che di calore)
3
2 2R
Evidenzia la suddivisione del ciclo nelle
due zone di alta e bassa pressione.
T
4R
T1
T2
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h
1
2 2R
4
3
s
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Ciclo Frigorifero a Compressione Semplice - 4
Effetto delle irreversibilità sul ciclo
Irreversibilità interna
La trasformazione di compressione non è isentropica, resta però adiabatica
Si
può introdurre il rendimento isoentropico di compressione ηc
ηc= Wis /W
A
parità di effetto frigorifero prodotto (Q2), il lavoro di compressione W aumenta; il coefficiente
di prestazione, quindi, diminuisce
Irreversibilità esterna
La potenza termica Q1 scambiata nel condensatore è usualmente scaricata
nell’ambiente esterno mediante un fluido termovettore (aria o acqua)
Pur
supponendo tale fluido a temperatura costante Ta, la temperatura di condensazione
Tcond=T2 dovrà essere più elevata di Ta per rendere possibile lo scambio termico
Analogo discorso può essere fatto per l’evaporatore
Occorre
adottare ampie superfici di scambio termico ed elevati coefficienti di trasmissione del
calore per ridurre le differenze di temperatura
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Ciclo Frigorifero a Compressione Semplice - 5
Calcolo Prestazioni
T
Effetto frigorifero
4R
Con espansione isoentropica
T1
1
4is
Q2_is= h3 - h2 = (1-x2) ∆hfg
Con Espansione mediante valvola
Q2= h3 - h2R = (1-x2R) ∆hfg
4
Q2<Q2_is
T2
3
s
2 2R
p
1
Lavoro di compressione
4 4R
Con compressione isentropica (ideale)
Wis= h4 - h3
2 2R
Con compressione reale
dal
rendimento isentropico di compressione
W = h4R - h3= Wis/ ηc
W>Wis
3
h
Coefficiente di Prestazione
COPFR = Q2/W= (h3-h2R)/(h4R-h3)
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Ciclo Frigorifero a compressione interrefrigerata
Il ciclo di base si presta (per valori usuali della
temperatura di condensazione, pari a circa 40°C), a
produrre freddo fino a temperature dell’ordine di -30°C
Al di sotto di –15/-30°C, può essere utile (in particolare al
crescere della taglia di impianto) adottare un ciclo a
compressione interrefrigerata
Il vantaggio dell’interrefrigerazione della compressione è la
riduzione del lavoro di compressione a parità di salto di
pressione (diminuzione dell’effetto di controrecupero)
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Ciclo Frigorifero a doppio livello di pressione
Una possibile alternativa è quella di dividere in due
anche la trasformazione di laminazione
Si adotta un separatore posto a pressione intermedia
Il doppio livello di pressione permette un effetto utile
migliorato (> calore asportato all’evaporatore rispetto al
ciclo a compressione interrefrigerata).
Tale vantaggio – la cui entità dipende dalla forma della
curva limite per lo specifico fluido frigorifero – è ottenuto
ad un costo contenuto
il separatore intermedio (scambiatore a miscela) risulta più
economico di un interrefrigeratore a superficie
Raddoppiare il dispositivo di laminazione ha basso costo
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Cicli Frigoriferi a compressione in serie
Per arrivare alle temperature più basse, è
necessario disporre in serie due o più cicli frigoriferi
con accoppiamento in uno scambiatore intermedio
a superficie
con funzione di evaporatore/condensatore
Lo scambiatore a superficie rappresenta un costo
aggiuntivo
Lo scambiatore a superficie introduce irreversibilità
connesse a differenze finite di temperatura tra i due
fluidi
anche nel caso del miscelatore/separatore
esistevano comunque irreversibilità di miscelazione
il vantaggio principale è costituito dalla libertà di
scelta del fluido frigorifero nei due circuiti
con possibilità di migliore adattamento al campo delle
basse temperature.
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Fluidi Frigoriferi – Qualità richieste
• Pressione di condensazione non eccessiva alle temperature di comune
•
•
•
•
•
•
•
reiezione del calore.
Pressione di evaporazione non troppo bassa alle comuni temperature da
mantenere alla sorgente fredda.
Calore di transizione di fase elevato (in modo da consentire il funzionamento
con ridotte quantità di fluido).
Volume specifico del vapore saturo non troppo elevato alle comuni
temperature da mantenere alla sorgente fredda, in modo da contenere le
dimensioni del compressore.
Atossicità.
Ininfiammabilità e sicurezza rispetto alle esplosioni a seguito di perdita in aria.
Compatibilità con i materiali strutturali impiegati negli impianti frigoriferi (rame,
ottone, acciaio inox,…).
Limitato danno all’ambiente in caso di rilascio accidentale.
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Fluidi Frigoriferi – Scelte possibili
La scelta tradizionale erano i CFC (Clorofluorocarburi), che sono in corso di
sostituzione progressiva in base al protocollo di Montreal (1976, 1987), in quanto
sono stati riconosciuti tra i principali responsabili del “buco dell’ozono” e - quindi
- di consistenti danni all’ambiente.
CFC: idrocarburi della serie paraffinica nei quali si sostituiscono gli atomi di idrogeno
con atomi di Cloro e Fluoro:
R12 (CF2Cl2), R11 (CFCl3), R13 (CF3Cl), R113 (CF3Cl3), R114 (CF4Cl2) (banditi)
HCFC:Clorofluorocarburi non completamente sostituiti: R21 (CHCl2F), R22 (CHF2Cl),
che sono almeno 10 volte meno dannosi per l’ambiente. (non ammessi dal 2002)
HFC: Fluorocarburi senza Cloro
Refrigeranti naturali: Ammoniaca NH3, Anidride carbonica CO2, acqua, aria
Idrocarburi (Propano C3H8)
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Fluidi Frigoriferi – Compatibilità ambientale – Indici - 1
ODP (Ozone Depletion Potential): indica la capacità distruttiva dello strato di
ozono per un gas, con riferimento al CFC11 (ODP=1). Il refrigerante ideale ha
ODP=0.
GWP (Gross Warming Potential): è la quantità di energia radiante nella fascia
dell’infrarosso che il gas può assorbire in un tempo di 100 anni, resa non dimensionale
rispetto al dato dell’anidride carbonica (GWPCO2 = 1). Il GWP (o DGWP, Direct Gross
Warming Potential per distinguerlo dall’IGWP) è un indicatore di come l’emissione di un
refrigerante altera direttamente l’effetto di riscaldamento globale.
IGWP (Indirect Gross Warming Potential) e TEWI (Total Equivalent Warming Impact):
non è solo l’emissione diretta di un refrigerante che produce l’effetto di riscaldamento
dell’ambiente; nel funzionamento dell’impianto, il lavoro assorbito dal compressore deve
essere fornito da un impianto di conversione energetica che a sua volta produce in
genere CO2. Risultano quindi di fatto migliori gli impianti frigoriferi con elevato rendimento
e COP; il risultato dipende molto dal “mix” energetico preso a riferimento per la
produzione di energia a livello regionale (es.: combustione, idroelettrica, nucleare,
rinnovabili,….). Gli indici IGWP e TEWI caratterizzano quest’ effetto.
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Fluidi Frigoriferi – Compatibilità ambientale – Indici - 2
Tipo
Nome
ODP DGWP100y
CFC
CFC-11
CFC-12
HCFC-22
HCFC-141-b
HCFC-142-b
HFC-32
HFC-125
HFC-134° (es. SUVA)
R-407C
(HFC-32/125/134a 23/25/52%)
R-410A
(HFC-32/125 50/50%)
R-744 Anidride Carbonica
R-717 Ammoniaca
HC- 600 a Isobutano
HC-290 Propano
Ciclopentano
1
1
0,055
0,11
0,065
0
0
0
0
3800
8100
1500
630
2000
650
2500
1300
1520
0
1725
0
0
0
0
0
1
0
3
3
3
HCFC
HFC
Naturali
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Sostituibilità dei fluidi frigoriferi
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Cicli frigoriferi ad assorbimento - Descrizione -1
Descrizione
Il generatore di calore viene
attraversato dalla miscela (ad
esempio NH3/H2O o H2O/LiBr)
A seguito della cessione di calore
Q1 nel generatore di calore si ha
evaporazione
parziale
della
frazione più volatile (es. NH3)
La miscela liquida si arricchisce in
acqua (Punto 8)
La fase gassosa, ricca di vapore di
ammoniaca, viene inviata (Punto
1) al condensatore dove cede il
calore QC all’ambiente (sorgente
superiore)
..........................................
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Cicli frigoriferi ad assorbimento
- Descrizione -2
...............................
Il condensato (Punto 2) ricco in
ammoniaca viene laminato
attraverso una valvola
Dopo la laminazione (punto 3), il
condensato viene inviato
all'evaporatore, dove asporta il
Ilcalore
flusso ricco
in ammoniaca
(punto 4) all'assorbitore
Q2 alla
sorgente passa
fredda
Viene qui miscelato con la portata di liquido (povero in ammoniaca e ricco in acqua)
(effetto
frigorifero)
proveniente dal generatore di calore
Il
processo di riformazione della soluzione di lavoro ammoniaca/acqua è esotermico;
è necessario refrigerare l'assorbitore (scarico del calore QA all’ambiente esterno)
Una pompa ricircola la miscela riformata al generatore......................
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Cicli frigoriferi ad assorbimento - Descrizione -3
...................................
E’ opportuno prevedere nello schema uno
scambiatore rigenerativo
In tale scambiatore la soluzione liquida
riformata di NH3 ed H2O viene preriscaldata
rigenerativamente asportando calore alla
soluzione liquida povera in ammoniaca
proveniente dal generatore di calore
Alcuni componenti sono gli stessi degli
impianti a compressione meccanica
(condensatore, organo di laminazione,
evaporatore)
L’artificio è quello di non effettuare direttamente la compressione del fluido
frigorifero (l’ammoniaca, nel caso in esame) in fase gassosa
Si effettua la compressione in fase liquida in una pompa (con notevole risparmio di
potenza), utilizzando il fluido frigorifero in soluzione in una miscela liquida con un
opportuno solvente
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COP di impianti frigoriferi ad assorbimento - 1
Il COPFR di un sistema ad assorbimento viene definito come:
COPFRass = Q2/(Q1 + Wp)
Q1
è il calore fornito nel generatore di calore
Wp
è il lavoro richiesto dalla pompa
Q1 viene spesso fornito da combustione o da calore di recupero
Particolarmente interessante l’utilizzo di calore di recupero a bassa temperatura
120-150°C sono sufficienti per il funzionamento, anche se a prezzo di elevate
superfici di scambio
sono molto validi gli abbinamenti a recuperi industriali o ad impianti di cogenerazione
elettrica e termica
Abbinare un impianto ad assorbimento a impianti di cogenerazione consente
un’alternativa interessante per il funzionamento estivo (condizionamento degli
ambienti, alimentazione di celle frigorifere); il calore di recupero dell’impianto di
cogenerazione può essere direttamente utilizzato nel periodo invernale
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COP di impianti frigoriferi ad assorbimento - 2
I calcoli relativi al dimensionamento di un impianto ad assorbimento richiedono
l'uso di diagrammi di stato (o programmi di calcolo) per le miscele
Un limite superiore al COPFRass può essere calcolato trascurando il lavoro di
pompaggio (che è molto piccolo rispetto al calore ceduto nel generatore di calore)
Riferendosi a trasformazioni idealmente reversibili, il sistema interagisce soltanto
mediante gli scambi termici, che avvengono a temperatura costante, per cui le variazioni
di entropia sono calcolabili per i flussi di calore (+ o -):
Q2/Tevap + Q1/Tgc = (QC+ QA)/Ta
Le quantità di calore sono
assunte in valore assoluto in
modo che le variazioni di
entropia espresse al primo ed al
secondo membro siano di uguale
segno.
– Tevap è la temperatura all'evaporatore
– Tgc è la temperatura al generatore di calore (collegata alla disponibilità di energia termica di
recupero, od alla scelta della pressione di esercizio del generatore)
– Ta è la temperatura del refrigerante esterno utilizzato sia per il condensatore che per
l'assorbitore (normalmente pari alla temperatura ambiente)
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COP di impianti frigoriferi ad assorbimento - 3
Q2/Tevap + Q1/Tgc = (QC+ QA)/Ta
Dal primo principio (conservazione dell'energia), risulta (trascurando Wp )
Q2 + Q1 = QC + QA
per cui, sostituendo:
Q2/Tevap + Q1/Tgc = (Q2 + Q1)/Ta
ovvero:
COPFRass = Q2/(Q1 + Wp) ≈ Q2/Q1 = [1/Ta - 1/Tgc ]/[1/Tevap - 1/Ta ]
Tale
espressione tende a Tevap/(Ta - Tevap) per Tgc→∞
...ciò
risulta pari al COPFR di un ciclo inverso di Carnot operante tra Tevap e Ta
In genere i COPFRass , con cicli alimentati con recupero di calore a bassa
temperatura risultano dell’ordine dell’unità, sensibilmente inferiori a quelli tipici
dei cicli a compressione (3-4).
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Grafico dell’espressione:
COPFRass = Q2/(Q1 + Wp) ≈ Q2/Q1 = [1/Ta - 1/Tgc ]/[1/Tevap - 1/Ta ]
8
Tev = 10 °C
7
6
Tev = 0 °C
COPFRass
5
4
Nota:
3
Con Tev = 0°C
Tev = -10 °C
per Tgc = 500K COPmax= 3
2
per Tgc = 400K COPmax = 2
1
0
300
400
500
600
700
Temp. di ev. al generatore di calore, K
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800
900
Tgc
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Pompe di calore - 1
La pompa di calore differisce da un impianto frigorifero solo per
l'effetto utile:
riscaldare il sistema con il quale avviene lo scambio termico superiore
L’effetto
utile non è quello di raffreddare il sistema a cui viene sottratto calore
Considerando l’effetto utile, il COP risulta superiore di una unità
rispetto a quello dell'impianto frigorifero
COPPC = Q1/W = (|Q2| + |W|) /W = COPFR + 1
E' anche possibile – ma molto raro - che uno stesso impianto
realizzi sia l'effetto frigorifero che quello di riscaldamento
Evidentemente, l'asportazione di calore avviene a T2 <Ta, mentre la
restituzione a T1>Ta
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Pompe di calore -2
Le pompe di calore sono realizzabili con i diversi schemi di ciclo
analizzati per i cicli frigoriferi
Esistono pompe di calore …..
a
semplice compressione
a compressione frazionata
in serie
ad assorbimento
.......
Nella gran parte dei casi il calore viene asportato all'ambiente
(T2=Tamb), e fornito a temperatura superiore
Ad esempio nelle applicazioni di riscaldamento civile
Esistono applicazioni industriali in cui le pompe di calore operano su correnti
calde (T2>Tamb)
Elevano
ulteriormente il livello di temperatura fino a quanto richiesto da utilizzi di
processo
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Effetto utile di una pompa di calore -1
Per un processo idealmente
reversibile, la pompa di calore
opera secondo un ciclo inverso
di Carnot
COPPCmax= Q1/W = Q1 /(Q1-Q2) =
T1 /(T1-T2)
8
COP PC CARNOT
Effetto utile pari a:
10
6
4
2
0
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
T2/T1
Già per T2/T1< 0.8 risulta impossibile ottenere COP teorici superiori a 5.0
Nella realizzazione pratica degli impianti è difficile superare la metà del COP
teorico
Corso: SISTEMI ENERGETICI - Classe: INGEGNERIA INDUSTRIALE, Laurea: INGEGNERIA MECCANICA
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Dipartimento di Energetica
“S.Stecco”
UNIVERSITA’ DI FIRENZE
Facoltà di Ingegneria
Effetto utile di una pompa di calore - 2
Per ottenere COP interessanti da una pompa di calore, è necessario
che le due temperature (estrazione e reiezione del calore) siano tra
loro vicine
Ad esempio, nelle applicazioni di riscaldamento civile, si adottano
necessariamente elementi di riscaldamento con pannelli radianti a
pavimento o termoconvettori
Funzionano correttamente con temperature del fluido termovettore
sensibilmente più basse (35 - 50 °C) rispetto a quanto avviene nei
convenzionali radiatori
I valori del COPPC divengono sempre più bassi quando la temperatura
ambiente scende sensibilmente.
Si ricorda che il valore commerciale dell’energia elettrica è circa 3 volte
quello del combustibile, pertanto la sostituzione della combustione
diretta (a fini di riscaldamento) con l’uso di una pompa di calore va
valutata con riferimento a questi termini.
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