Anidride carbonica – Un’interessante analisi sulle applicazioni della pompa di calore con il recupero di raffreddamento

Da molti anni assistiamo ad un interesse crescente verso la CO₂, sia per i cicli sub-critici che transcritici, grazie ai numerosi vantaggi che questo refrigerante è in grado di fornire come:

• ESSERE un fluido naturale, quindi innocuo per l’ambiente, caratterizzato da un ODP= 0 e un GWP= 1 (dato estremamente importante se ad esempio si considera che l’R134a, uno dei refrigeranti più comuni utilizzati nell’applicazione a pompa di calore, presenta un GWP= 1300). Inoltre, l’essere uno dei prodotti dei processi di combustione, lo rende utilizzabile nelle apparecchiature di refrigerazione, apportando così un effetto ancora più benefico sull’ambiente;

• ESSERE un refrigerante sicuro, non infiammabile né tossico, questo lo rende una scelta preferibile sia rispetto a NH3 che a HFO;

• ESSERE disponibile in tutto il mondo, con un costo molto basso;

• AVERE eccellenti proprietà termofisiche;

• AVERE una capacità di refrigerazione specifica molto elevata, quasi 8 volte superiore all’R134a.

Una delle principali differenze tra CO₂ e HFC è la pressione critica relativamente bassa. Se prendiamo in considerazione l’immagine sottostante, noteremo che, con grande probabilità, avremo un sistema di funzionamento transcritico, il che significa che la pressione di aspirazione sarà inferiore al punto critico, mentre la pressione di scarico sarà superiore al punto critico.

Ciò significa che, all’interno dello scambiatore di calore ad alta pressione, il fluido non condensa poiché lo scambio di calore avviene all’esterno della cupola del refrigerante.


Queste caratteristiche, che sono uniche, rendono la CO₂ la soluzione perfetta per pompe di calore per la produzione di acqua calda sanitaria.
L’immagine qui sotto, mostra i profili di temperatura dei fluidi nello scambiatore di calore ad alta pressione. Il profilo di temperatura della CO₂ segue perfettamente il profilo della temperatura dell’acqua, a differenza di quanto accade utilizzando l’R134a e qualsiasi altro fluido operante in condizioni subcritiche.

Questa caratteristica termodinamica fa arrivare le pompe di calore per acqua calda, a CO₂, a livelli di COP molto alti.
Tuttavia, non bisogna dimenticare che in una tipica pompa di calore aria-acqua, il dissipatore di calore è tipicamente aria-ambiente e la CO₂ viene evaporata sprecando il carico di refrigerazione. Con alcune semplici modifiche al ciclo di base, una pompa di calore può essere in grado di recuperare il carico di raffreddamento disponibile a livello dell’evaporatore. Fondamentalmente, per tutti questi processi in cui sono presenti sia un carico di raffreddamento sia un carico di riscaldamento, è possibile regolare una pompa di calore a CO₂ per soddisfare tutti i requisiti energetici della specifica applicazione; un possibile layout di sistema è presentato nella figura sotto.


L’immagine sopra ci mostra le misurazioni del ciclo di vita di un impianto in Svizzera: in questo caso la temperatura dell’acqua calda viene portata da 25° C a 68° C (con il refrigeratore di gas) mentre l’acqua lato evaporatore viene raffreddata da 12° C a 7° C.

L’immagine accanto invece mostra l’impianto della sala macchine.

Come è visibile, sono presenti due serbatoi di acqua calda per soddisfare i requisiti di riscaldamento dell’impianto, mentre un serbatoio di acqua fredda è posizionato per il recupero del raffreddamento.

La tabella seguente mostra le misurazioni delle prestazioni dell’impianto, durante il ciclo di vita per questa, sia in condizioni invernali che in condizioni estive (dove è in atto il recupero del raffreddamento).

Guardando le prestazioni del sistema, viene mostrato un COP straordinario di 3,2, durante il funzionamento invernale, e una temperatura ambiente di -5° C. Questa risulta già una grande prestazione quando si considera il valore aggiunto portato dalla CO₂, rispetto ai bruciatori di carbone o alle stufe elettriche, ma il risultato davvero impressionante si verifica nel funzionamento estivo, dove vi è contemporaneità di carico. Utilizzando infatti la valvola a tre vie e dirigendo il flusso a bassa pressione di CO₂ verso lo scambiatore di calore di recupero, entrambi i fabbisogni di riscaldamento e raffreddamento sono soddisfatti, ottenendo un COP combinato di 6,5.
Con tali livelli di prestazione è chiaramente comprensibile come la CO₂ possa svolgere un ruolo molto importante nella riduzione dell’impronta di carbonio per edifici, luoghi sportivi e simili.
Non esiste altro refrigerante in grado di raggiungere tali livelli di prestazioni.

 

Fonte: Officine Mario Dorin

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