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Quando l’obiettivo è quello di ridurre l’impatto ambientale dei sistemi frigoriferi e delle pompe di calore, è necessario prendere in considerazione diversi aspetti.
Dal punto di vista del TEWI (Total Equivalent Warming Impact) devono essere ridotte sia le emissioni dirette dei fluidi frigorigeni sia il loro GWP. Tenendo conto del forte impatto del consumo energetico durante tutto il periodo di durata degli impianti, l’opzione fondamentale per diminuire l’impatto ambientale è quella di migliorare molto l’efficienza energetica del sistema.
I limiti del sistema devono essere determinati con cura. Per esempio, nel settore terziario, non basta sviluppare solo sistemi di raffreddamento (o pompe di calore) ad alto rendimento, ma è necessario associare al sistema una regolazione globale efficace e integrarlo in un locale a basso carico termico. 
Inoltre, dal punto di vista delle politiche tese alla riduzione delle emissioni dei gas ad effetto serra (GES), i sistemi frigoriferi hanno un nuovo ruolo nella sostituzione delle caldaie, che funzionano a olio o gas, con pompe di calore (PAC) ad elevato rendimento energetico, al fine di limitare le emissioni di anidride carbonica. Il recupero di calore dalle diverse fonti assicura un coefficiente di rendimento alto grazie al recupero di calore gratuito.

COME DIMINUIRE L’IMPATTO DELLE EMISSIONI DIRETTE?

Dagli inizi degli anni ’90, la sostituzione degli HFC e degli HCFC in seguito all’applicazione del Protocollo di Montreal ha condotto non solo allo sviluppo di nuovi fluidi refrigeranti HFC, ma anche al ritorno verso fluidi che erano stati utilizzati nel passato, come il biossido di carbonio, gli idrocarburi per alcune applicazioni e l’ammoniaca con nuove applicazioni. Inoltre, sono stati riesaminati cicli frigoriferi non a compressione di vapore, come il ciclo di Stirling, il tubo a pulsioni, il freddo termoacustico e il freddo magnetico,.. Tuttavia, fino ad ora, a pari rendimento energetico, i sistemi a compressione di vapore offrono il migliore rapporto rendimento energetico/prezzo. Questo articolo parla solo dei sistemi a compressione di vapore.
Per ridurre le emissioni dirette, saranno prese in considerazione in questo articolo: la diminuzione della carica di fluido, il controllo delle perdite e di recupero dei fluidi, l’introduzione di fluidi a basso GWP come il biossido di carbonio o i nuovi fluidi HFC a basso GWP.

RIDUZIONE DELLA CARICA DI FLUIDO FRIGORIGENO

La riduzione della carica di fluido, a potenza frigorifera e rendimento energetico uguale, porta alla diminuzione delle emissioni di fluidi dovute alle rotture del circuito e a limitare le emissioni dei fluidi durante il periodo di vita del sistema.

·      Scambiatori Compatti

Uno dei mezzi che possono essere utilizzati, al di là della tecnica utilizzata, per limitare le cariche di fluido è quello di utilizzare scambiatori compatti. Per esempio, sostituire scambiatori a fascio tubiero con scambiatori a piastre permette di ridurre il rapporto tra potenza frigorifera e carica del fluido di un fattore di almeno 3. Parallelamente, i diametri dei tubi di rame dei climatizzatori aria/aria diventano sempre più piccoli. L’industria della climatizzazione giapponese è leader nella tecnologia della costruzione di scambiatori, i cui diametri  interni sono di circa 5 mm. Nuovi progressi sono in corso, soprattutto nel settore dei condensatori, dove la tecnologia dei tubi in rame e delle alette in alluminio comincia ad essere sostituita dagli scambiatori in alluminio saldati .
Qualche applicazione, come i gruppi di raffreddamento dell’acqua, utilizzano ancora grandi quantità di fluido stoccate negli evaporatori a fascio tubero come i chiller, e pure il il freddo industriale utilizza grandi vasche a bassa pressione che alimentano le pompe di ricircolazione del fluido. In un futuro prossimo, vi saranno nuovi tipi di evaporatori di gruppi di raffreddamento dell’acqua che utilizzeranno efficaci sistemi di aspersione sui tubi così come una nuova concezione di scambiatori “ asciutti”.

·      Sistemi Indiretti

I gruppi di raffreddamento dell’acqua (chiller), tipici dei sistemi indiretti, occupano un importante settore del mercato per la climatizzazione di grossi edifici, questo sistema può essere applicato a potenze frigorifere meno elevate, tenendo conto dell’interesse di una bassa carica di refrigerante, soprattutto per gli HFC. I sistemi indiretti possono anche essere utilizzati nella climatizzazione auto, soprattutto negli autobus e nei treni, dove il circuito è, in genere, lungo e il rapporto tra carica di fluido e potenza frigorifera è elevato (0,45kg/kW freddo).
Dalla metà degli anni ’90 nel settore del freddo commerciale, sono stati fatti degli esperimenti in Europa e negli Stati Uniti al fine di valutare l’interesse dei sistemi indiretti in vista della limitazione di carica di fluido nei sistemi centralizzati installati nei supermercati. Sono stati effettuati diversi test. Uno di essi sembra presentare rendimenti energetici identici a costi accettabili: i sistemi indiretti che utilizzano il biossido di carbonio a bassa temperatura. In questi sistemi il biossido di carbonio evapora parzialmente nei banchi di vendita o negli evaporatori delle celle frigorifere; e viene, in seguito, condensato, nell’evaporatore/condensatore dove evaporano l’HFC o l’ammoniaca. Per le applicazioni in freddo a temperatura positiva (media temperatura), l’impiego dei fluidi secondari sembra essere ancora la scelta migliore ma vi sono nuovi sviluppi per quanto riguarda il biossido di carbonio, anche per la temperatura positiva.
I sistemi indiretti nel freddo commerciale possono portare alla riduzione della carica di fluido dal 50 al 75% se raffrontati ai  sistemi diretti. I sistemi indiretti necessitano di una differenza aggiuntiva tra la temperatura di evaporazione e quella dell’aria da raffreddare.
Inoltre, il fluido secondario deve essere messo in circolazione e dunque le pompe del liquido comportano un maggiore consumo energetico. I raffronti tra i sistemi diretti e quelli indiretti nel freddo commerciale offrono risultati interessanti nei quali l’efficienza energetica dei due sistemi è dello stesso ordine di grandezza a causa dell’inefficienza dell' espansione diretta quando il surriscaldamento penalizza l’efficienza degli evaporatori. Misure dettagliate effettuate al livello degli scambiatori indicano un’efficienza di scambio termico del fluido secondario superiore a quella del fluido frigorigeno.

POLITICHE DI CONTROLLO DELLE FUGHE E DI RECUPERO

Le politiche di controllo delle perdite e di recupero sono sostenute da diverse associazioni tecniche, un certo numero di produttori e dai ministeri di diversi paesi. Le regolamentazioni europee 2037/2000 per gli HCFC e 842/2006 per gli HFC comportano controlli periodici sulla tenuta degli impianti (per cariche di fluido superiori a 3 kg.), il recupero sistematico del fluido a fine vita  dell’impianto e il controllo sistematico delle quantità di fluido vendute sul mercato. Un certo numero di norme verte sul miglioramento della tenuta dei componenti, tra le quali EN 378, ASHRAE 147 e EN 14624.
E’ bene parlare anche della procedura attuata nei Paesi Bassi, definita STEK, secondo la quale i componenti più suscettibili alle perdite devono essere analizzati insieme alla causa delle fughe di refrigerante. Si devono raggiungere ancora sviluppi significativi per una nuova concezione dei componenti più soggetti alle fughe, come le valvole di sicurezza, le valvole di servizio e diversi tipi di raccordi.
I metodi utilizzati in numerose imprese, per raggiungere una migliore qualità di tenuta dei componenti durante il periodo di durata degli impianti, devono essere generalizzati. Nuovi metodi di prova sono necessari a garantire il livello iniziale di tenuta.

EFFICIENTI APPLICAZIONI DEL BIOSSIDO DI CARBONIO - CO₂

Sono stati raggiunti sviluppi importanti negli ultimi 10 anni per i sistemi che funzionano con biossido di carbonio che presenta il vantaggio di un basso GWP e di una classificazione come fluido sicuro (A1 nella classificazione EN 378 e Ashrae 34). Gli svantaggi del biossido di carbonio sono noti e sono dovuti alla bassa temperatura critica ( 31 °C). Questa bassa temperatura critica conduce ad un ciclo transcritico quando il sistema fornisce o emette il calore ad una temperatura superiore a 31°C. Alcuni lavori condotti sul biossido di carbonio saranno presentati qui di seguito.

·      Sistema a bassa temperatura a cascata

Quando il biossido di carbonio viene condensato ad una temperatura inferiore a 31°C e soprattutto tra –10°C. e 0°C, i sistemi a biossido di carbonio presentano un’efficienza energetica elevata grazie alle buone proprietà termofisiche del prodotto (bassa viscosità e conduttività termica elevata) e allo sviluppo dei sistemi a cascata. Questi sistemi utilizzano il biossido di carbonio a temperature di evaporazione che variano tra –50% e –35%, associate ad un sistema frigorifero ad alta temperatura (cascata), che funziona o ad ammoniaca o con gli HFC e  risulta efficiente nel settore agro-alimentare e più raramente in quello commerciale.

·      Pompa di calore a biossido di carbonio per acqua calda sanitaria

Il Giappone ha sviluppato dei riscaldatori d'acqua ad alto rendimento energetico a biossido di carbonio. Il consumo di acqua calda delle famiglie giapponesi è più elevato rispetto agli standard europei e il costo energetico dell’acqua calda è, dunque, significativo. I riscaldatori a pompa di  calore sono interessanti nel contesto giapponese quando il COP è tra 3 e 4.
Tenendo conto del gradiente elevato di temperatura per il riscaldamento dell’acqua, da 15°C a 60°C, e, più generalmente, in Giappone fino a 90°C, la variazione continua della temperatura del biossido di carbonio durante la sua condensazione quando si trova sopra il suo punto critico, minimizza le perdite durante lo scambio di calore. Il governo giapponese ha emanato incentivi pari ad 1/3 del prezzo dell'impianto per far crescere rapidamente il mercato. Il mercato nel 2006 in Giappone era superiore alle 250.000 unità e più di 15 produttori sono in concorrenza in questo suo mercato.

NUOVI HFC A BASSO GWP

Nel 2001, la società Dow ha sviluppato un solvente HFC basato su di un chetone fluorato caratterizzato da un periodo di permanenza nell’atmosfera minore di una settimana e, dunque, con un GWP di circa 1; questo fatto dimostra che le molecole contenenti fluoro possono avere un GWP basso. La base dell’esistenza potenziale degli HFC a basso GWP dipende dalla loro breve vita nell’atmosfera. Prima la Honeywell e poi la Dupont hanno sviluppato queste molecole a breve durata di vita. Le due molecole sviluppate da Honeywell sono conosciute come CF3i (tri-fluoro-iodio-metano) e CF₃CFCH₂ (tetra fluoro propilene). Il periodo di durata nell’atmosfera della prima è di circa una settimana e quello della seconda è di circa due settimane e il GWP è nel range di 10.
Le molecole messe a punto dalla Dupont non sono ancora conosciute ma una saranno certamente caratterizzate da un periodo di vita breve.
Le due miscele, il fluido H per Honeywell e il DP1 per Dupont sono state progettate in modo da sostituire l’HFC-134a come fluido drop-in. Lo sviluppo va nella direzione dei sistemi MAC ma sarà anche utilizzato come  sostituto dell’HFC 134a in altri sistemi. Lo sviluppo dei gas contenenti fluoro si baserà certamente su di un basso GWP.

COME MIGLIORARE L’EFFICIENZA ENERGETICA ?

L’efficienza energetica è un punto chiave per uno sviluppo sostenibile. L’efficienza  energetica è un obiettivo primario al fine di ottenere molto spendendo meno. Per la refrigerazione e le pompe di calore, non basta solo sviluppare componenti e impianti efficienti ma bisogna anche integrare efficientemente questi impianti in sistemi più grandi: per gli edifici è essenziale considerare gli edifici nella loro globalità e non pensare solo a utilizzare componenti efficienti.

NUOVI PROGETTI CON MINORI CARICHI DI RISCALDAMENTO O  RAFFREDDAMENTO

Lo sviluppo di case passive o case con consumo di energia vicina a 0 porta allo sviluppo di pompe di  calore più compatte e pompe di calore reversibili, con entrambe le funzioni di riscaldamento e di raffreddamento, così come quelle integrate. Nelle case a bassa energia il maggiore fabbisogno termico viene ad essere quello per la produzione di acqua calda ad uso domestico. In Svizzera, un nuovo tipo di pompe di calore con il recupero di calore dell’aria di scarico produce acqua calda sanitaria e dall’altra parte riscalda l’aria per convezione.
Molti studi e ricerche sul confort termico sono in corso da 15 anni. Uno dei risultati più importanti è stato quello di dimostrare che il corpo umano è in grado di adattarsi alle condizioni termiche. La temperatura di confort in estate può essere fissata a  circa 26°C nelle stanze e procura un confort migliore che una temperatura più bassa. In seguito a questi risultati le imprese giapponesi hanno cambiato la divisa degli impiegati in estate: niente giacca e niente cravatta.     

PROGETTAZIONE DEL SISTEMA E CONTROLLO DELL'IMPIANTO

La progettazione dei sistemi frigoriferi e delle pompe di calore necessita della valutazione della variazione delle temperature della fonte e dei pozzi al fine di adattare il sistema termodinamico e di raggiungere COP più elevati possibili. Un esempio tipico è quello di abbassare la temperatura dell’acqua calda per le pompe di calore aria-acqua a seconda della temperatura esterna. Un altro esempio tipico è quello di disconnettere la deumidificazione e il raffreddamento quando l’umidità relativa è ad un livello accettabile per regolare la temperatura di evaporazione al di sopra del punto di formazione della brina e di ottenere, così, COP elevati, soprattutto per i sistemi aria-aria.
Le pompe di calore residenziali necessitano che la potenza calorifera sia fornita completamente dalla pompa di calore per la temperatura esterna più bassa (non è necessario fornire calore supplementare con una resistenza elettrica aggiuntiva sul circuito di riscaldamento). Nella stagione del riscaldamento le temperature esterne variano tra -15°C e 14°C e l’acqua del circuito di riscaldamento deve essere prodotta a temperature che variano tra 65 e 35°C, con uno scarto della temperatura (-15°C./+65°C) corrispondente al maggiore fabbisogno di riscaldamento.
Questi problemi richiedono dei sistemi flessibili in cui il ciclo inverso sia in grado di passare da una operazione a 2 stadi a una a 1 stadio a seconda della temperatura esterna e della temperatura dell'acqua. 

MIGLIORIE AL MOTORE E AL COMPRESSORE

Per i sistemi frigoriferi e le pompe di calore, le analisi exergetiche mostrano il maggior impatto di perdite del motocompressore. Per i motori elettrici, la soluzione è stata trovata già diversi anni fa con  motori a magneti permanenti che sono state introdotte su larga scala da produttori giapponesi. L’efficienza elettrica, anche per i motori elettrici da 1 a 2 kW, è superiore al 92%. Una soluzione complementare si è presentata progressivamente con la velocità variabile elettronica. Tutte le pompe di calore reversibili vendute in Giappone per potenze frigorifere che variavano da 2,4 a 5 kW sono dotate di motori a velocità variabile. La regolazione della velocità variabile permette una regolazione fine del flusso del fluido a seconda della variazione della potenza di riscaldamento e di raffreddamento. Queste pompe di calore a ciclo inverso possono produrre potenza in riscaldamento tre volte superiore alla potenza massima in raffreddamento. COP superiori a 6, per le condizioni estive T1 della norma ISO 5151, sono state misurate con questi sistemi.
Anche se i compressori alternativi a pistoni sono ancora utilizzati per le potenze frigorifere piccole (utilizzo domestico) e in numerosi sistemi di media potenza (fino a 30 kW di potenza assorbita), per le potenze da 1 a 25 kW di potenza assorbita, i compressori scroll e, su scala minore, i compressori rotativi, sostituiscono i compressori a pistoni. Per quanto riguarda i compressori scroll e rotativi, la precisione delle macchine utensili permette questo cambiamento grazie al numero meno elevato di parti girevoli, anche le perdite dovute a sfregamento sono diminuite, la valvola di scarico può essere evitata e le perdite di pressione nelle valvole possono essere diminuite. Questi compressori possono raggiungere un migliore rendimento energetico rispetto a quello dei compressori alternativi a pistoni.
Una delle migliorie più importanti è stata quella dello sviluppo di compressori non lubrificati o a separatore di olio integrato ad alta efficienza. Per gli scambiatori ad efficienza energetica molto elevata, soprattutto a micro canali, la presenza di olio riduce lo scambio termico. Inoltre, il ritorno di olio crea un accumulo all’uscita dell’evaporatore e il colpo d’olio è sempre possibile. La limitazione drastica della circolazione dell’olio è stata migliorata con l’utilizzo del biossido di carbonio nei sistemi di climatizzazione dei veicoli. Ciò che è stato ottenuto per il biossido di carbonio può essere valido per qualunque altro fluido.
Lo sviluppo di cuscinetti magnetici permette l’utilizzo di macchine centrifughe non lubrificate, e nuovi compressori centrifughi relativamente compatti sono sul mercato da 5 anni. Questa tecnologia è associata anche all’aumento della velocità di rotazione di questi compressori centrifughi. Diventano possibili velocità superiori a 25.000 giri/min. Lo sviluppo di nuove logiche permette la progettazione rapida di giranti e nuovi sviluppi potenziali di compressori centrifughi  non lubrificati.

MIGLIORIE AGLI SCAMBIATORI

Lo sviluppo degli scambiatori è diretto verso una maggiore efficienza dello scambio termico e la diminuzione delle quantità di materiali utilizzati (per la produzione industriale delle componenti, la massa dei materiali è un parametro chiave dal punto di vista del prezzo). Le tendenze sono evidenti. Negli ultimi 20 anni i diametri sono stati regolarmente ridotti e l'efficienza delle alette è stata migliorata: lo spessore dei tubi di rame è stato ridotto a 0,3 mm e lo spessore delle alette in alluminio è di circa 0,1 mm. Inoltre, i tubi zigrinati e le alette rese più efficienti hanno portato ad un accrescimento del coefficiente di scambio degli scambiatori aria-fluido frigorigeno di un fattore che varia da 2 a 3. Unitamente a queste lavorie sui tubi in rame/alette di alluminio, gli scambiatori saldati  interamente in alluminio hanno avuto la meglio per i radiatori, i condensatori e gli evaporatori utilizzati nell’industria automobilistica.
I condensatori sono stati concepiti con tubi a microcanali in alluminio. Questi tubi sono stati saldati  su alette ondulate, portando ad un rapporto di superficie delle alette più elevato rispetto a quello esistente nel settore della climatizzazione fissa. A parità di  velocità equivalente dell’aria i coefficienti di scambio termico sono più elevati di un rapporto prossimo a 2 rispetto ai condensatori della climatizzazione fissa. Per gli evaporatori, la progettazione di scambiatori alettati  è stata la tecnologia dominante degli ultimi 20 anni e, tenendo conto delle limitazioni della pressione associate all’utilizzo del biossido di carbonio, sono stati realizzati nuovi tipi di evaporatori, fondati sulla stessa tecnologia di quella dei condensatori utilizzando tubi a microcanali a seconda dei vari circuiti.
La grande compattezza degli scambiatori a microcanali e il costo meno elevato dell’alluminio rispetto a quello del rame hanno permesso il trasferimento della tecnologia dell’industria automobilistica verso la climatizzazione fissa.