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CENTRO STUDI GALILEO

 

IMPIANTO A POMPA DI CALORE
CHE UTILIZZA AMMONIACA COME REFRIGERANTE

H. Halozan, R. Rieberer - Istituto di Termotecnica, Universita' delle tecnologie di Graz

Riassunto

Le pompe di calore offrono la concreta possibilita' di ridurre il consumo di energia in modo significativo, principalmente nell'edilizia, ma anche in campo industriale. Il secondo principio della termodinamica ci dimostra tali vantaggi: mentre una caldaia a condensazione puo' raggiungere un rendimento energetico primario (PER) massimo del 105% (cioe' il rendimento della caldaia ηB; il massimo teorico sarebbe del 110%, basato sul potere calorifico inferiore), le pompe di calore raggiungono e superano il 200%. Attualmente circa 150 milioni di pompe di calore, con una rendita termica di 1800 TWh, sono in funzione nel mondo, tali pompe di calore riducono le emissioni di CO2 di circa 0.18 Gt. Il potenziale per la riduzione delle emissioni di CO2 , supponendo una quota pari al 30% nel settore  edile,  usando tecnologie attualmente disponibili, e' di circa il 6 % delle emissioni totali di CO2 a livello mondiale che e' di 24 Gt. Con le tecnologie del futuro sembra sia possibile arrivare fino al 16%. Quindi, le pompe di calore sono una delle tecnologie chiave per la conservazione dell'energia e per la riduzione delle emissioni di gas che causano l'effetto serra, nel caso di ammoniaca evitando perfino danni diretti.

1. Introduzione

Le pompe di calore offrono la possibilita' di ridurre in maniera significativa il consumo energetico, principalmente nel settore edile, ma anche nell'industria. Il secondo principio della termodinamica dimostra i vantaggi: mentre una caldaia a condensazione puo' raggiungere un rendimento energetico primario (PER) massimo del 105% (cioe' il rendimento della caldaia ηB; il massimo teorico sarebbe 110%, basato sul potere calorifico inferiore), le pompe di calore raggiungono e superano il 200%.

Il principio della termodinamica inerente il processo del pompaggio del calore nacque all'inizio del XIX secolo (da Carnot, Kelvin, e altri), fu utilizzato nel 1834 per la refrigerazione, e non prima del 1855 per la produzione di calore: in quell'anno, Peter Ritter Von Rittinger rese operativa la prima pompa di calore, un'unita meccanica a ciclo aperto di  termocompressione dei vapori (MVR), azionata direttamente da energia idrica presso Ebensee, Alta Austria. Altri momenti salienti nello sviluppo delle tecnologie delle pompe di calore furono l'invenzione del gruppo frigorigeno ad assorbimento, da parte di Ferdinand Carre, che utilizzo' l'abbinamento ammoniaca/acqua, nonche' l'introduzione dell'ammoniaca come refrigerante per un impianto a compressione di vapore.

Molto tempo dopo, anche il procedimento a vapore chiuso fu utilizzato per generare calore utile. Essenzialmente dopo la Seconda Guerra Mondiale, divenne abbastanza comune l'unita' a pompe di calore per il condizionamento delle case e delle stanze, un po' di tempo dopo lo divenne l'unita'  reversibile per il raffreddamento e per la deumidificazione, come anche per il riscaldamento, e dopo la crisi dei prezzi dei prodotti petroliferi del 1973 anche le pompe di calore a soli fini di riscaldamento per climi temperati e freddi.    

2. Sviluppo dei refrigeranti

I refrigeranti (fluidi agenti) fino agli anni '30 del secolo scorso erano l'ammoniaca, l'anidride carbonica e altri fluidi, generalmente molto tossici e/o infiammabili; successivamente il mercato si e' occupato rapidamente di refrigeranti sicuri  (clofluorocarburi, CFC, e idroclorofluorocarburi, HCFC) cosicche' i vecchi refrigeranti scomparvero dal mercato. L'unica eccezione era l'ammoniaca, essa era ed ancora e' molto impiegata in molteplici applicazioni.

La situazione rimase cosi' fino alla Convenzione di Vienna del 1986 e all'Accordo di Montreal del 1997 quando la produzione di CFC fu limitata e quindi essenzialmente proibita, a causa dei danni che provocavano alla cintura stratosferica di ozono.

 Alcuni anni dopo (Copenhagen, 1992) e' stato raggiunto un accordo per limitare l'utilizzo di HCFC
                                                                    

                                                                       Potenziali riscaldamento della Terra (rapportato a CFC 11)

La prima scelta per la sostituzione dei fluidi ricadde sugli HFC (idrofluorocarburi privi di cloro) e sulle loro miscele. Peraltro queste miscele pur non avendo ODP, possono pero' provocare un riscaldamento globale GWP .

C'e', quindi, una tendenza in alcuni paesi, per la maggior parte europei, a cambiare nuovamente e quindi a dirigersi verso i vecchi e cosiddetti  fluidi naturali, tali sostanze non contengono ne' cloro ne' fluoro e hanno un potenziale di surriscaldamento globale GWP trascurabile, essi sono: l'ammoniaca (R-717), il propano (R-290), a volte propilene (R-1270), o isobutano (R-600a), o acqua (R-718), e CO2 (R-744) (Rieberer 1998). Ammoniaca ed idrocarburi non hanno le caratteristiche di un refrigerante sicuro in quanto altamente tossici e/o infiammabili; l'acqua e l'anidride carbonica mantengono gli standard di sicurezza. (Tabella 1).

Tabella 1: Fluidi naturali

Refrigerante

Nomenclatura ASHRAE

Composizione

Punto di ebollizione C

ODP

HGWP

Ammoniaca

R-717

NH3

-33,6

0

0

Propano

R-290

C3H8

-42,0

0

0

Isobutano

R-600a

C4H10

-11,9

0

0

Acqua

R-718

H2O

100,0

0

0

Anidride Carbonica

R-744

CO2

-78,4

0

0

Cosi' le tecnologie su cui si basano le pompe di calore hanno subito e stanno subendo molteplici cambiamenti in merito ai fluidi frigorigeni e alla progettazione. Tuttavia, oggi, l'efficienza e' generalmente migliore rispetto al periodo precedente a questi cambiamenti e continua ad aumentare. Percio' non solo l'impatto sull'ambiente dei fluidi frigorigeni e' stato ridotto, ma anche gli effetti dell'energia degli impianti che producono energia per le pompe di calore - dovuto a maggiori SPF, piu' alte efficienze dell'impianto che produce energia (ηPP) e un misto di fonti di energia con emissioni inferiori di CO2.

Quindi, l'impatto di riscaldamento totale equivalente  (TEWI) si e' significativamente ridotto.

3. Pompe di calore

 

Il termine generale di tecnologie a pompe di calore viene utilizzato per procedimenti nei quali il naturale flusso termico da un livello di temperatura piu' alto ad un livello di temperatura inferiore e' invertito dall'aggiunta di energia ad alto valore, cioe' l'exergia. Il termine pompe di calore e' utilizzato per indicare un'unita che produce calore utile. In Giappone e negli Usa gli apparecchi di condizionamento reversibili sono indicati con il termine di pompe di calore. I refrigeratori sono, piu' o meno sempre, chiamati refrigeratori, sebbene siano utilizzati come pompe di calore refrigeratori che producono anche calore utile.

In Europa il termine pompe di calore viene utilizzato per apparecchiature che hanno il solo scopo di riscaldare e che utilizzano l'aria esterna come fonte di calore ovvero che utilizzano aria eliminata all'esterno dal sistema di ventilazione, ovvero che utilizzano acque freatiche ed il suolo, assieme con un dispositivo di distribuzione centralizzato del calore (Halozan, Gilli 2001).

La fonte di energia delle pompe di calore e' comunemente l'elettricita', e per il futuro si prevede che dovranno essere presi in considerazione innovativi dispositivi di generazione dell'energia basati su fonti rinnovabili e combustibili fossili. Il rendimento dell'impianto propulsore, ηPP, e' superiore al 58% per impianti a ciclo combinato funzionanti a gas naturale disponibili sul mercato; utilizzando petrolio come combustibile tali valori possono diventare possibili. Il rendimento dell'impianto propulsore, ηPP dipende, naturalmente dal tipo di combustibile (sorgente di energia primaria).

Il rendimento energetico primario (PER) e' altissimo quando si ha generazione di energia direttamente da fonti rinnovabili come l'acqua o il vento, per le quali per definizione ηPP = 1.0.

Il rendimento energetico primario (PER) da' una reale misura delle unita' di calore utile ottenuto da una unita' di energia primaria all'ingresso dell'impianto propulsore, trascurando per il momento le perdite a monte dell'impianto, come ad esempio le perdite durante la produzione, la pulizia, la trasmissione (WEC, 1988), e la distribuzione (perdite di rete) tra l'impianto propulsore e le pompe di calore.

Dovrebbe essere posto in rilievo come le pompe di calore, che in molti casi estraggono calore gratuito dall'ambiente (aria, acqua, terreno) e dall'energia residuale, sono la maggior fonte di energia rinnovabile. Il calore rinnovabile R ottenuto dalla pompa di calore e' la differenza tra il rendimento termico Q e l'energia di impulso Ex (nel caso dell'elettricita' , E = Ex):

 R = Q - E = Q - Q/SPF = Q(1 - 1/SPF)

Per le pompe di calore ad assorbimento, il rendimento energetico primario (PER) e' il rapporto del calore prodotto con l'energia primaria immessa. Grande e' il potenziale per i sistemi ad assorbimento. Tali apparati hanno un enorme vantaggio, essendo il calore l'energia di impulso, questo implica che molteplici possono essere le energie di impulso, ad esempio il gas, energia molto comune, le energie residuali degli scarti termici, principalmente da sistemi di cogenerazione, ma anche energia solare, di cui si parla spesso oggi e che viene indicata con il termine di raffrescamento ad energia solare, e la biomassa.

Ovviamente, se l'energia di impulso viene ottenuta da una fonte di rinnovabile anche tutte le energie utilizzate per le pompe di calore sono energie rinnovabili.

4. Sistemi di compressione ad ammoniaca

Nemmeno i CFC sono stati in grado di sostituire completamente i vecchi refrigeranti ad ammoniaca: nei grandi sistemi frigorigeni l'ammoniaca e' sempre stata la prima scelta, in quanto trattasi di un eccellente refrigerante, e' inoltre economica se raffrontata con gli (H)CFC, e non nuoce all'ambiente (Halozan 2002).Ma ci sono alcuni svantaggi: l'ammoniaca e' tossica, e il suo odore caratteristico, che agisce come un segnale di pericolo, puo' causare il panico.

Se prendiamo in considerazione l'ammoniaca come refrigerante ci sono alcune possibilita'

            -  sistemi a compressione che utilizzano l'ammoniaca come refrigerante

            -  sistemi a compressione che utilizzano una miscela composta di ammoniaca e di un altro fluido come refrigerante

            - sistemi ad assorbimento che utilizzano l'ammoniaca come refrigerante e l'acqua come solvente.

La tecnologia utilizzata per i sistemi ad ammoniaca e' differente rispetto a quella utilizzata in sistemi con fluorocarburi: il rame non e' compatibile con l'ammoniaca, se e' presente umidita' nell'ammoniaca pura.

Deve essere utilizzato acciaio o alluminio, e l'acciaio deve essere saldato, l'alluminio deve essere saldato o giuntato tramite saldatura, ma l'alluminio saldato e' piu' difficile da utilizzare rispetto al rame saldato (Halozan 2005). Altro problema sono i compressori ermetici. I fili di rame con i comuni isolamenti non possono essere utilizzati per un motore elettrico.

  - Una possibilita' e' quella di utilizzare un altro materiale, cioe' l'alluminio, tuttavia, i cavi  non sono cosi' sottili e flessibili come quelli di rame.

  - Altra possibilita' e' quella di utilizzare un rotore stagno, tuttavia, il rivestimento causa dispersioni elettriche e una perdita di efficienza.

  - Infine, possono essere impiegati nuovi materiali come isolanti elettrici.

 

Il problema delle pompe di calore ad ammoniaca e' la combinazione di tutti questi fattori. Per i sistemi di maggiori dimensioni questo non rappresenta un grosso problema, possono essere utilizzati i compressori aperti. Questa tipologia di compressori sono comunemente compressori a moto alternativo e a vite.
                                                           
                                                                                        Compressori aperti per ammoniaca

Tuttavia, i sistemi di minori dimensioni diventano relativamente costosi. Un compressore, che e' utilizzato per applicazioni minori e' un compressore con un motore stagno, l'altro un compressore a spirale scroll di recente progettazione e sviluppo. In tal modo ci troviamo di fronte ad un problema di costi e non anche ad un problema tecnico.
                                         
                                          Compressore a copertura separata            Compressore a spirale "scroll" per ammoniaca

Tuttavia, l'ammoniaca ha un ruolo crescente nei nuovi impianti, gli sviluppi tecnologici si stanno indirizzando verso la riduzione della carica di fluido frigorigeno presente nei sistemi. Un primo cambiamento riguardava il passaggio da una evaporazione ad allagamento ad una evaporazione a secco, il secondo era, per quanto concerneva i sistemi di piccole dimensioni, il cambio da olio non solubile all'olio solubile.  Combinato con gli scambiatori di calore piani il carico di liquido refrigerante e' stato ridotto in maniera significativa (da 0.1 a 0.05 kg/kW capacita' di riscaldamento).

Tali unita' sono adottate per depositi frigoriferi come anche per la refrigerazione al dettaglio, i sistemi ad evaporazione diretta sono stati sostituiti con sistemi che adottano circuiti refrigeranti secondari. Il recupero del calore per fornire calore per l'acqua calda e per il riscaldamento degli ambienti e' svolto da de-surriscaldatori, a volte unitamente ad una temperatura di condensazione maggiorata, o da una pompa di calore aggiuntiva utilizzando dell'energia residuale come fonte di calore. Per questo e per altri motivi sono stati sviluppati compressori da 40 bar con temperature di condensazione massima superiori ai 74C.

L'ammoniaca e' inoltre utilizzata per il condizionamento dell'aria unitamente a sistemi di distribuzione idronici. Refrigeratori ad acqua e refrigeratori a pompe di calore sono costruiti come unita' compatte con una protezione a cappotto, dove tutti i dispositivi di sicurezza sono stati installati; l'installazione sul tetto e' molto utilizzata.

L'impiego delle pompe di calore dipende decisamente dalle condizioni climatiche e dagli standard di costruzione. (Halozan 2003):

            - I principali mercati sono le regioni con inverni non particolarmente freddi - nei quali la temperatura non scende sotto i 5C - e con estati che richiedono condizionamento e deumidificazione. Questa e' l'area delle pompe di calore aria/aria prefabbricate, che possono essere facilmente installate e che, in virtu' del lungo funzionamento annuale, hanno costi decisamente vantaggiosi.

            - In regioni caratterizzate da inverni freddi, dove in aggiunta in estate e' richiesto il condizionamento dell'aria, la pompa di calore compete con i sistemi di riscaldamento convenzionali. L'aria come fonte di calore con finalita' di riscaldamento dovuta ai bassi SPF non e' una soluzione migliore in questo caso.

            - Le regioni con inverni freddi e senza grandi necessita' di rinfrescamento dell'aria, tramite condizionamento, in estate, possono essere un mercato per le pompe di calore, se possono essere utilizzate fonti di calore come l'acqua delle falde freatiche o il suolo,. Il calore dal terreno puo' essere estratto sia tramite collettori installati orizzontalmente (vantaggiosi in caso di nuova costruzione, sempre che l'area disponibile abbia dimensioni sufficienti) ovvero attraverso pozzi.

Il settore nel quale le pompe di calore vengono principalmente impiegate e' il settore edile (residenziale e commerciale). Sistemi di medie e grandi dimensioni sono gia' stati costruiti utilizzando l'ammoniaca come refrigerante, la parte esclusa sono gli impianti con piccola capacita' di lavoro come i condizionatori da finestra ovvero quelli da inserire a muro (Capacita' di raffreddamento sotto i 5 kW), il cosiddetto armadio climatologico e il modello split e il multisplit compatto (Capacita' di raffreddamento sopra i 4 kW)

Queste unita' reversibili aria-aria hanno costi vantaggiosi dovuti al fatto che la caratteristica aggiuntiva del funzionamento bimodale e' relativamente economica e dovuta al tempo di funzionamento annuale.

L'Europa si e' concentrata sulle unita' che producono esclusivamente calore tramite acqua proveniente da falda freatica, suolo o aria come fonte di calore, integrati in sistemi di distribuzione del riscaldamento idronici.

Sistemi suolo-suolo combinati con sistemi di distribuzione di calore a basse temperature raggiungono indici di rendimento stagionali pari a 4 e a volte maggiori. Solo alcuni sistemi funzionano con ammoniaca come refrigerante a causa dell'alto costo iniziale.

5. Sistemi ad assorbimento ammoniaca/acqua

In Asia i sistemi ad assorbimento e a adsorbimento sono molto diffusi, il principale obiettivo di queste unita' e' il livellamento della richiesta di energia elettrica. L'energia di impulso e' comunemente rappresentata dal gas, ma moltissimi sistemi, che sono in funzione, adottano calore proveniente da impianti di co-generazione. L'alternativa e' rappresentata da unita' ad energia elettrica con sistemi di immagazzinamento del ghiaccio.

Nuovamente, le unita' di grandi dimensioni non rappresentano il problema, il vero problema sono le unita' di piccole dimensioni, e in molti paesi lo sviluppo va nella direzione di abbattere l'alto costo iniziale.

Un interessante sviluppo e' quello che viene chiamato pompa di calore a diffusione-assorbimento,,e che e' stata progettata da H. Stierlin, Svizzera, basata sul refrigeratore Platen-Munters. Essa offre alcuni vantaggi, tra i quali possiamo includere: il fatto di non prevedere parti mobili, il funzionamento, privo di rumori e di vibrazioni, nonche' il funzionamento senza bisogno di elettricita'. Il ciclo e' simile ad un  ciclo ad assorbimento a fase singola ma differisce perche' viene impiegato un gas ausiliario per equalizzare le pressioni in ogni parte del sistema e per permettere una pompa di calore a bolla. e' stato progettato un modello con potere calorifico di 3,6 kW, il COP ha raggiunto e superato 1.5. La prova sul campo ha avuto successo.
                                      
                                         Pompa di calore a diffusione/assorbimento (Potere calorifico 3.6 KW)    Sistema Platen-Munters

Un altro concetto sono le unita' GAX (Scambio di calore generatore assorbitore), il calore dell'assorbitore e' utilizzato per pre-riscaldare e per separare parzialmente l'ammoniaca dall'acqua nel generatore (Halozan et.al. 2004).
                                                             
                                         Unita' di assorbimento ammoniaca/acqua a fase singola (Potere calorifico 11 KW)

 

                                                   
                                                                           Pompa di calore con ciclo GAX

Con tali unita' di assorbimento GAX il COP puo' essere significativamente aumentato se comparato  con le unita' a fase singola, inoltre il COP diviene simile ad un'unita' a compressione 
                                                  
                                            COP di riscaldamento in cofronto alla temperatura all'uscita dell'evaporatore

Suddette unita' hanno buone prospettive grazie allo sviluppo dello scambiatore di calore piano, con questa tipologia di scambiatori, le unita' ad assorbimento possono essere assemblate utilizzando componenti prodotti in larga scala, il che riduce decisamente i costi. Altra possibilita' e' la produzione in serie.

6 Conclusioni

Le pompe di calore sono una vecchia tecnologia, che non e' stata usata diffusamente finche' sia i prezzi dell'energia sia l'efficienza della produzione di energia elettrica sono rimasti bassi. La crisi petrolifera ha cambiato la situazione, e Kyoto e' stata un'ulteriore causa che ha portato all'incremento del mercato di questa tecnologia. Basandosi sui recenti sviluppi tecnologici, possiamo tracciare le seguenti conclusioni:

             - Le pompe di calore offrono la possibilita' di ridurre significativamente il consumo di energia, principalmente nel settore edile, ma anche in campo industriale.

            - Fondamentalmente il secondo principio della termodinamica mostra i seguenti vantaggi: mentre una caldaia a condensazione puo' raggiungere un rendimento energetico primario (PER) del 105% (il massimo teorico sarebbe 110% basato sul valore calorifico inferiore), le pompe di calore raggiungono il 200% e lo superano, utilizzando l'energia del vento o dell'acqua possono perfino raggiungere e superare il 400%.

            - La maggior parte delle pompe di calore funzionanti sono in Giappone, in Cina e negli USA, unita' bimodali aria-aria utilizzate sia per il riscaldamento sia per il raffreddamento, la Cina inoltre possiede la piu' grande industria per la produzione di condizionatori dell'aria, e nel Sud Est asiatico la tendenza a utilizzare queste tecnologie e' in costante crescita.

            - L'Europa e' rimasta concentrata sulle pompe di calore idroniche centralizzate a soli fini di riscaldamento oltre che su sistemi di recupero del calore, ma le vendite delle unita' bimodali stanno crescendo.

            - L'energia di impulso e' nella maggior parte dei casi l'elettricita', e inoltre devono essere presi in considerazione migliori sistemi di generazione dell'energia basati su fonti rinnovabili o combustibili fossili. L'efficienza delle centrali a ciclo combinato funzionanti a gas disponibili sul mercato e' allo stato attuale del 58% circa. Le pompe di calore geotermiche unitamente a sistemi di distribuzione del calore a bassa temperatura raggiungono indici di rendimento stagionali (SPF) pari 4 e a volte maggiori, il che significa un rendimento energetico primario (PER) di 220 o 280%.

            - I sistemi ad assorbimento funzionanti ad ammoniaca ed acqua hanno una certa rilevanza, se il costo dell'elettricita' rispetto al gas e' alto o se e' disponibile energia residuale gratuita. L'efficienza delle unita' ad assorbimento e' stata migliorata in maniera significativa dai cicli avanzati e dall'introduzione di scambiatori di calore piani con la finalita' di ridurre le perdite di calore.

            Attualmente nel mondo ci sono circa 150 milioni di pompe di calore con un rendimento termico di 1800 TWH, che riducono le emissioni di CO2 di circa 0,18 Gt.

Il potenziale per la riduzione delle emissioni di CO2 supponendo una quota pari al 30% nel settore  edile, usando le tecnologie attualmente disponibili, e' di circa il 6 % delle emissioni totali a livello mondiale di CO2 che sono di 24 Gt. Con le tecnologie del futuro sembra che sia possibile arrivare fino al 16%. Quindi, le pompe di calore sono una delle chiavi tecnologiche per la conservazione dell'energia e per la riduzione delle emissioni di gas che causano l'effetto serra.