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POMPE DI CALORE ENDOTERMICHE PER LA CLIMATIZZAZIONE A GAS
FABIO BRAIDOTTI per conto di ACCORRONI – Osimo (AN)
Premessa
La produzione di acqua refrigerata per gli impianti di condizionamento dell’aria fino ad oggi veniva realizzata, principalmente, con l’impiego di refrigeratori d’acqua basati sul sistema a compressione di vapori, costituito da un compressore frigorifero azionato da un motore elettrico.
Il sistema a compressione e' stato adottato in quanto caratterizzato da un’alta efficienza frigorifera mentre l’alimentazione elettrica e' la piu' facile da realizzare e quindi la meno costosa a livello di macchina, anche se l’energia elettrica non e' sempre disponibile nella quantita' richiesta e spesso e' molto cara.
Inoltre con l’inversione del ciclo frigorifero si puo' facilmente far lavorare la macchina, nel periodo invernale, in pompa di calore per la produzione di acqua calda per impianti di riscaldamento a bassa temperatura.
L’evoluzione della tecnologia oggi ci permette di adottare soluzioni alternative che, utilizzando il gas (metano o GPL), riducono drasticamente l’impiego di energia elettrica di rete e ottimizzano i processi energetici, dove la climatizzazione ha assunto un aspetto rilevante. Le principali soluzioni alternative per ottenere energia frigorifera dal gas combustibile sono:
Per motivi di efficienza abbiamo scelto la prima soluzione, realizzando cosi' un refrigeratore ed una pompa di calore alimentati a gas metano o GPL.
Bassi costi di esercizio ed elevata efficienza nel massimo rispetto dell’ambiente
Nella versione in pompa di calore si ottiene un risparmio energetico medio del 25% rispetto ad una pompa di calore elettrica (considerando gli attuali sistemi di produzione di energia elettrica in Italia), con una conseguente riduzione delle emissioni di CO2 in atmosfera.
Questa prerogativa e' perfettamente in sintonia con gli obiettivi della legislazione internazionale in materia ambientale e consente di accedere agli eventuali incentivi ed alle agevolazioni legate al contenimento delle emissioni di gas "serra" in atmosfera ed al risparmio energetico in generale.
Nella figura 1 viene illustrato un confronto di prestazioni tra una pompa di calore elettrica generica e la pompa di calore endotermica a gas.
La comparazione in termini di efficienza, a parita' di energia primaria consumata, e' effettuata sulla base dei seguenti parametri:
Dal confronto si deduce che il rapporto tra l’energia termica utile e l’energia primaria utilizzata dalla pompa di calore elettrica e' del 106,5%, contro il 144% della pompa di calore endotermica a gas. Questo elevato valore di rendimento si abbina positivamente alle riduzioni del prezzo del gas dovuto alle agevolazioni che le maggiori aziende distributrici praticano per i consumi estivi.
Risulta quindi evidente come gli obiettivi di maggiore efficienza, di risparmio energetico, di contenimento delle emissioni in atmosfera e di rapido rientro dell’investimento siano pienamente raggiunti con queste nuove macchine ad alta tecnologia, che si pongono in primo piano nel nuovo mercato mondiale dell’energia.
Come funziona
La pompa di calore endotermica a gas e' un sistema in grado di produrre contemporaneamente due forme di energia differenti – meccanica e termica – da un’unica sorgente di energia primaria.
L’energia meccanica viene trasformata, attraverso un ciclo frigorifero a compressione, in energia frigorifera in estate ed energia termica in inverno, grazie alla reversibilita' del ciclo frigorifero stesso (fig. 2-3).
L’energia termica viene utilizzata direttamente, tramite adeguati scambiatori di calore.
Com’e' fatta
Attualmente la produzione prevede una versione aria/acqua, costituita da un’unita' base ed un’unita' remotabile, fino alla distanza di 10 m con un dislivello massimo di 5 m.
L’unita' base contiene:
L’unita' remotabile e' costituita da:
Il kit idrico con serbatoio di accumulo, vaso d’espansione, gruppo di riempimento, valvola di sfiato, tubazioni di collegamento, ecc. viene fornito a richiesta, come accessorio.
In un prossimo futuro sara' disponibile anche una versione acqua/acqua e una versione monoblocco.
Il combustibile
Per motivi di impatto ambientale, l’energia primaria deriva dal gas metano o GPL (Propano-Butano), combustibili notoriamente piu' "puliti".
Il motore endotermico
Il motore a combustione interna a ciclo Otto e' un motore dedicato (ampiamente collaudato in cogenerazione) a quattro cilindri in linea da 903 cm3.
La manutenzione non richiede tecnologie specifiche.
Gli scambiatori di calore del motore
Tutto il calore prodotto dal motore (dai cilindri, dall’olio e dai gas di scarico) viene recuperato, attraverso scambiatori brevettati olio/acqua e gas/acqua ad alta efficienza e trasferito all’utenza attraverso un ulteriore scambiatore di calore acqua/acqua.
Questo permette di avere a disposizione anche energia termica durante l’estate e di ridurre la dipendenza dalle condizioni atmosferiche invernali, nel ciclo a pompa di calore.
Il circuito frigorifero
Il sistema e' molto semplice in quanto il circuito frigorifero e' di tipo classico a compressione di vapori, sia nella versione solo freddo che a ciclo reversibile in pompa di calore, principalmente con condensazione ad aria, ma disponibile a breve anche con condensazione ad acqua.
La potenza frigorifera e/o termica erogata e' variabile con la variazione del numero di giri del motore a scoppio e/o con la parzializzazione del compressore.
Il compressore
Viene impiegato un compressore di tipo alternativo aperto a quattro cilindri a V adatto alla velocita' di rotazione di 3300 giri/min.
Il compressore alternativo puo' essere parzializzato per ottenere una ulteriore variabilita' di potenza, oltre a quella ottenuta con la modulazione del numero di giri, data dal motore endotermico.
Il giunto di accoppiamento
L’accoppiamento motore/compressore e' di tipo diretto, realizzato con un giunto elastico.
Il giunto ha una funzione estremamente importante e delicata, in quanto deve assorbire gli sforzi tra motore e compressore, particolarmente significativi all’avviamento, il che lo rende la parte piu' sollecitata della macchina.
Lo scambiatore di calore refrigerante/acqua
Del tipo a piastre in acciaio inox AISI 316, saldobrasato e coibentato.
Il sistema elettronico avanzato di gestione
Consente il controllo continuo dei parametri di funzionamento del modulo.
Un comando remoto, installabile fino a 200 m di distanza, permette la visualizzazione dei principali parametri di funzionamento e di allarme della macchina.
La programmazione dei parametri di controllo, il comando di accensione ed arresto e l’inversione del ciclo avviene tramite tastiera, corredata di un display, con tre livelli di accessibilita' (utente – manutentore – costruttore), con codice di accesso per gli ultimi due.
La regolazione avviene sul circuito secondario, in base alla temperatura dell’acqua refrigerata estiva o calda invernale (nella versione in pompa di calore) ed e' realizzata a gradini sulla velocita' del motore a scoppio con conseguente regolazione della velocita' del compressore e della potenza erogata, permettendo l’adeguamento al fabbisogno termico dell’impianto. Si puo' avere anche una parzializzazione del compressore al 50% per ottenere un ulteriore frazionamento della potenza erogata.
Anche questo si traduce in un vantaggio rispetto agli altri sistemi sia elettrici che ad assorbimento a fiamma diretta, spesso regolati con un comando a due posizioni (on-off).
Oltre al vantaggio economico nel consumo di energia primaria, si ha anche un sicuro prolungamento della vita della macchina, cosa che viene ulteriormente favorita dall’inserimento di opportuni accumuli sul circuito dell’utenza, per ottimizzare il funzionamento del gruppo.
I ventilatori assiali
Contenuti nell’unita' remota, sono a basso numero di giri e vengono controllati dal microprocessore che ne riduce ulteriormente la velocita' di rotazione in funzione della temperatura dello scambiatore esterno.
Scambiatori di calore esterni
Realizzati in rubo di rame con alettatura di alluminio ad elevata superficie di scambio.
Uno serve come condensatore/evaporatore del circuito frigorifero mentre l’altro serve come dissipatore di "emergenza" per il motore endotermico.
Il refrigerante e l’impatto ambientale
Il fluido refrigerante impiegato R134a, e' a basso impatto ambientale.
Considerando il recupero di calore dal motore endotermico a gas, si riduce considerevolmente l’impatto totale di effetto serra di questa macchina, sia rispetto ai gruppi ad assorbimento a fiamma diretta che rispetto ai corrispondenti refrigeratori elettrici.
Lo sbrinamento della pompa di calore
Nella versione in pompa di calore e' necessario lo sbrinamento della batteria esterna.
Come nei gruppi frigoriferi elettrici lo sbrinamento della batteria avviene con l’inversione di ciclo (tramite una valvola a quattro vie).
Data la possibilita' di variazione della velocita' del motore, nella macchina endotermica lo sbrinamento risulta meno penalizzante, in quanto si ha comunque disponibile tutta la potenza termica di recupero del motore anche nella fase di sbrinamento, che compensa parzialmente il calore sottratto all’impianto.
Inoltre nella successiva fase di gocciolamento della batteria esterna sbrinata la pompa di calore puo' immediatamente riprendere l’erogazione di energia termica, seppur alla minima potenza, evitando l’immediata riformazione di ghiaccio sulla batteria stessa.
Il rumore
Il rumore della macchina endotermica e' praticamente uguale a quello di una macchina elettrica di pari potenza, in quanto due su tre sorgenti di rumore sono comuni alle due tipologie di macchina (rumore del compressore frigorifero e rumore della ventilazione per il raffreddamento del condensatore). Tenendo conto che la dominante di rumore e' data dal movimento dell’aria, comune ai due apparecchi, e che l’isolamento acustico della macchina endotermica nasce gia' superiore a quello della macchina elettrica, si puo' tranquillamente affermare che non esistono differenze di rumorosita'.
L’utilizzo
La versione in pompa di calore e' sicuramente la piu' completa ed interessante, sempre compatibilmente alle esigenze di energia termica e frigorifera dell’utenza.
E’ utile ricordare l’importanza dell’analisi preventiva dei fabbisogni termici, per il massimo sfruttamento della macchina.
La possibilita' di avere due "sorgenti calde" a due livelli di temperatura (quello primario ad alta temperatura, costituito dal circuito di raffreddamento del motore endotermico e quello secondario a media temperatura, costituito dal circuito frigorifero in pompa di calore) permette una grande flessibilita' di utilizzo del gruppo.
La manutenzione
Per garantire l’efficienza e la durata della macchina va fatta una normale manutenzione, che il servizio assistenza tecnica propone con contratti di manutenzione programmata.
Sicuramente tale manutenzione e' piu' costosa rispetto a quella di un refrigeratore elettrico, ma compensata dai vantaggi economici dell’uso del gas.
Il mercato
Da molti anni negli Stati Uniti (soprattutto per i grandi impianti) ed in Giappone (specialista nel settore residenziale) le macchine frigorifere endotermiche a gas, quasi esclusivamente nella versione in pompa di calore (GHP), sono gia' utilizzate.
In Italia, invece, i gruppi endotermici a gas rappresentano una piccolissima quota di mercato dei refrigeratori d’acqua (probabilmente non superiore all’1%).
Ma sono sicuramente destinati a crescere, una volta che l’utente sia piu' sensibile al risparmio energetico; gli addetti ai lavori (progettisti, installatori, manutentori) abbiano superato gli infondati timori di manutenzione e di rumore e ne comprendano la convenienza, permettendo ai costruttori l’abbattimento dei costi di una produzione industriale e lo Stato incentivi la diffusione di questi sistemi, semplicemente "defiscalizzando" il prezzo del gas, come gia' avviene per i cogeneratori.
Gli alberghi, gli ospedali, le case di riposo, i centri sportivi e tutti quegli impianti che richiedono contemporaneamente energia termica e frigorifera nei mesi estivi e termica in inverno, si prestano molto bene all’adozione di queste macchine.
I vantaggi dei gruppi frigoriferi endotermici
I vantaggi economici investono tutti i livelli: dall’utente finale, che evita costosi ampliamenti del contratto di fornitura di energia elettrica (alle volte anche impossibili da ottenere, per insufficienza della rete di distribuzione), all’azienda elettrica, che evita l’adeguamento della rete per la riduzione dell’incremento di richiesta di energia (attualmente le richieste di energia elettrica estiva stanno superando quelle invernali soprattutto per l’aumento generale della climatizzazione); dai distributori di gas, che vengono aiutati a livellare i consumi stagionali, a tutta la comunita' per il notevole risparmio energetico, oggi impegno di tutti.
Dal punto di vista tecnico la possibilita' di avere due sorgenti termiche a livelli diversi (con la relativa possibilita' di utilizzo in parallelo o separati), la bassa potenza elettrica installata e, soprattutto, la possibilita' di modulazione della potenza termofrigorifera erogata rendono il gruppo endotermico estremamente flessibile ed adattabile alle varie esigenze impiantistiche.
Non ultimo un piccolo incentivo promosso dalla Snam, che, in collaborazione con i distributori locali, concede un contributo "una tantum", destinato ai nuovi impianti di climatizzazione che utilizzano pompe di calore endotermiche e sistemi ad assorbimento alimentati a gas metano.
Bibliografia:
Documentazione ACCORRONI
Pubblicazioni SNAM
Pubblicazioni ELSEVIER
Atti Convegno AICARR su "Le pompe di calore nella climatizzazione ambientale"
Pubblicazione ATIG "Innovazioni tecnologiche e sviluppi applicativi delle apparecchiature a gas per il riscaldamento ed il raffrescamento"
FABIO BRAIDOTTI per conto di ACCORRONI – Osimo (AN)
REFRIGERATORE GC 30 E POMPA DI CALORE GHP 60 ACCORRONI/TASAKI
CARATTERISTICHE TECNICHE GHP 60 GC 30
| Portata termica max. |
kW |
50 |
51 |
| Portata termica min. |
kW |
34 |
35 |
| Potenza termica estiva max. |
kW |
30 |
32 |
| Potenza termica estiva min. (*) |
kW |
23 |
25 |
| Potenza frigorifera max. |
kW |
32 |
34 |
| Potenza frigorifera min. (*) |
kW |
26 |
28 |
| Potenza termica invernale max. |
kW |
62 |
= |
| Potenza termica invernale min. (*) |
kW |
49 |
= |
| Alimentazione gas |
Metano (G20) – Propano (G31) – Butano (G30) |
||
| Consumo gas min./max. G20 G30 G31 |
Nm3/h kg/h kg/h |
3,58 – 5,25 2,67 – 3,91 2,63 – 3,85 |
3,74 – 5,37 2,79 – 4,00 2,74 – 3,94 |
| Refrigerante |
R134a |
||
| Alimentazione elettrica |
230 V – 1 – 50 Hz |
||
| Assorbimento elettrico max. |
W |
1050 |
1010 |
| Dimensioni unita' base |
mm |
856(L) x 1081(P) x 980(H) |
|
| Dimensioni unita' remota |
mm |
1920(L) x 550(P) x 1310(H) |
|
| Peso unita' base |
kg |
430 |
|
| Peso unita' remota |
kg |
196 |
|
(*) senza parzializzazione del compressore
CONDIZIONI NOMINALI
Estate: 35C bs – 24C bu
Inverno: 7C bs – 6C bu
