Pompe di calore a gas a motore endotermico

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PANASONIC - TECNOCASA SRL

La generazione di freddo e/o caldo per climatizzazione o per applicazioni industriali è generalmente effettuata con impianti frigoriferi a compressione, con i compressori azionati tramite motori elettrici, o tramite gruppi a d assorbimento, ad alimentazione termica.

È tuttavia possibile realizzare un‘altra soluzione, dove il compressore del ciclo frigorifero/pompa di calore è azionato tramite un motore endotermico o “motore primo”, solitamente alimentato a gas naturale, tanto che nella terminologia tecnica vengono anche definite “pompe di calore a gas” (nella terminologia anglosassone si parla di gas engine heat pumps, GEHP o gas heat pumps GHP)

L’uso del gas naturale per la climatizzazione sia estiva che invernale in un paese come il nostro permetterebbe, in primo luogo di limitare l’incremento dei consumi elettrici durante l’estate, e nello stesso tempo di riequilibrare la domanda di gas, caratterizzata da un andamento fortemente stagionale. L’aumento della domanda di gas in durante la stagione estiva consentirebbe infatti una più razionale gestione dei gasdotti, con un migliore utilizzo delle riserve e una minore incidenza dei consumi energetici legati allo stoccaggio del gas.

I benefici sulla rete elettrica si tradurrebbero invece in una diminuzione delle punte di consumo elettrico estivo, che sta portando in questi ultimi anni a notevoli problemi di distribuzionedell'energia elettrica sulle reti, soprattutto in media e bassa tensione.

Spesso, in zone urbane particolarmente critiche, viene negata all'utente la possibilità di aumentare gli impegni contrattuali di potenza, rendendo di fatto obbligatorie soluzioni che impieghino il gas naturale per la climatizzazione. 

Le pompe di calore azionate da motori endotermici, così come le macchine ad assorbimento a fiamma diretta, rientrano in questa tipologia di impianti.

Un impianto frigorifero/pompa di calore a compressione azionato da motore endotermico è quindi costituito dai seguenti elementi:

un motore primo a gas (es. motore alternativo a combustione interna, turbina a gas, fuel cell; 

un sistema di generazione di freddo costituito da un impianto frigorifero a compressione, eventualmente funzionante anche come pompa di calore;

un sistema di recupero termico dai gas di scarico e/o dal circuito di raffreddamento del motore primo, con produzione di calore utile integrativa nel caso di funzionamento del sistema per produzione di calore. In molti casi si può ottenere poi una produzione di acqua calda sanitaria (specialmente nelle mezze stagioni e nei mesi estivi).

La connessione tra motore primo e il  compressore può essere diretta, quindi di tipo meccanico (trascinamento con giunto meccanico), oppure indiretta nel caso in cui il motore termico azioni un generatore elettrico che alimenta un motore elettrico per il trascinamento del compressore dell’impianto frigorifero. In questo caso e qualora fosse prodotta in eccedenza rispetto a quella richiesta per azionare la pompa di calore e i suoi ausiliari,  l’energia elettrica può anche essere scambiata con la rete come nei casi cogenerativi.

Oltre ai vantaggi legati all’impiego di una diversa fonte energetica, l’impiego di un motore endotermico comporta benefici energetici, derivanti come già detto dalla possibilità di sfruttare il calore di recupero dal motore, che funziona quindi come cogeneratore. In particolare, questo calore permette:

la produzione di acqua calda sanitaria;

la soppressione delle inversioni di ciclo per lo sbrinamento dell’evaporatore, che rappresentano un limite delle pompe di calore elettriche in quanto comportano un peggioramento dei rendimenti energetici e provocano un funzionamento discontinuo con conseguenti peggioramenti in termini di prestazioni e comfort ambientale;

il mantenimento di una potenza resa in riscaldamento praticamente invariata anche con temperature esterne molto basse (-15°C e oltre), quindi un riscaldamento sempre garantito.

Vi è poi la possibilità di cogenerare, tramite un alternatore collegato al motore endotermico, parte dell’elettricità necessaria all’alimentazione delle unità interne e degli ausiliari.

Le pompe di calore a gas hanno già conosciuto un’ampia diffusione nei mercati orientali, soprattutto in Giappone; anche nel resto del mondo sono ormai una realtà consolidata per applicazioni sia civili che industriali. I progressi tecnologici hanno permesso di raggiungere elevati valori di affidabilità, consentendo alle macchine di operare per lunghi periodi senza manutenzione: in molti casi i costruttori arrivano a garantire fino a 10.000 ore di funzionamento tra due manutenzioni successive.

Benefici energetici delle pompe di calore a gas

Una pompa di calore a gas consta in un compressore , accoppiato meccanicamente  (più raramente per via elettrica) a un motore endotermico; il circuito percorso dal fluido frigorifero si compone di una valvola di inversione “a quattro vie” di inversione del ciclo, di uno scambiatore posizionato all’esterno  uno scambiatore posizionato all’interno dei locali da condizionare che fungono alternativamente da evaporatore o da condensatore secondo la modalità di funzionamento (pompa di calore o raffreddamento).

Il motore è raffreddato mediante un circuito di raffreddamento percorso da acqua e glicole, l’acqua in uscita dal motore attraversa uno scambiatore in cui si riscalda ulteriormente prelevando calore dai gas combusti del motore, che vengono quindi raffreddati prima di essere espulsi a camino. Il calore recuperato dal motore può essere utilmente impiegato per la produzione di acqua calda sanitaria mediante un opportuno boiler.

Nei sistemi di climatizzazione dotati di unità di trattamento aria (UTA), l’acqua calda prodotta dal recupero termico del motore può essere usata anche per effettuare il post-riscaldamento dell’aria dopo la deumidificazione.

Nei casi in cui non sia richiesta acqua calda da parte delle utenze termiche, un circuito ausiliario con apposito scambiatore dissipa calore all’ambiente (così come avviene nei radiatori delle automobili).

L’accumulatore di liquido consente di ridurre la quantità di refrigerante nel circuito quando la richiesta termica è bassa, stoccando fino al 30% del peso totale. La sua funzione è utile specialmente durante i transitori di carico: evita i problemi connessi al raggiungimento di liquido ai compressori, oltre a fungere da polmone per il gas refrigerante quando diminuisce la richiesta di carico.

Peculiarità dei sistemi azionati a motore è quella di possedere un “sub evaporatore”, a cui fornisce calore il circuito di raffreddamento del motore. In questo modo il calore del motore può essere parzialmente impiegato nel sub all’evaporatore, consentendo di innalzare la temperatura di evaporazione del refrigerante, con conseguente diminuzione del lavoro di compressione e aumento del COP della pompa di calore.

In generale la quantità di calore di recupero dal motore utilizzata nell’evaporatore è inversamente proporzionale alla temperatura esterna, per cui al diminuire della temperatura esterna aumenta la frazione di calore proveniente dal motore, consentendo così al sistema di: 

1) operare a temperatura di evaporazione pressoché costante;

2) contrastare la diminuzione di potenza termica resa nei periodi invernali più freddi;

3) evitare i cicli di sbrinamento periodici dell’evaporatore. 

Per questi motivi le prestazioni delle pompe di calore a gas risultano poco sensibili alle variazioni della temperatura esterna. Al contrario, il comportamento tipico delle pompe di calore elettriche tradizionali ad aria porta ad una drastica riduzione della potenza termica resa e del COP della macchina proprio in concomitanza delle giornate più fredde, a causa sia della diminuzione della temperatura di evaporazione, sia dei periodici cicli di sbrinamento necessari per l’evaporatore.

Anche in inverno poi è possibile sfruttare il circuito di raffreddamento e di recupero termico dai fumi del motore per la produzione di acqua calda sanitaria.

Con circuitazioni più complesse vi è anche la possibilità di realizzare particolari configurazioni di impianto che consentono il funzionamento contemporaneo in riscaldamento e in raffreddamento, con alcune unità interne funzionanti in modalità riscaldamento e altre in modalità raffreddamento. In pratica alcuni scambiatori di calore interni ai locali funzionano da condensatori mentre altri da evaporatori. 

Per effettuare una valutazione energetica di una pompa di calore azionata da motore endotermico, nei diversi assetti di funzionamento estivo e invernale, occorre confrontarne le prestazioni con quelle di macchine tradizionali che tipicamente assolvono agli stessi compiti. In altri termini le prestazioni energetiche invernali delle pompe di calore a gas devono essere confrontate con quelle delle caldaie a gas per il riscaldamento (o in alternativa con quello delle pompe di calore elettriche), mentre in estate vanno confrontate con gruppi frigoriferi tradizionali basati su macchine elettriche a compressione. Va sempre ricordato che aver un confronto omogeneo occorre considerare il diverso valore energetico del gas naturale e dell’energia elettrica, che è prodotta in centrali per lo più termoelettriche a partire da combustibili fossili.

Il confronto corretto prevede di riferirsi in entrambi i casi all’energia primaria consumata. Si definisce un fattore denominato coefficiente di utilizzo del combustibile, C.U.C. (in inglese spesso denominato fuel utilization efficiency, F.U.E.), per indicare appunto l’efficienza di utilizzo del combustibile, riferendosi quindi alla fonte primaria di energia: dove QU rappresenta l’effetto utile prodotto dalla macchina, rispettivamente calore in inverno ed energia frigorifera in estate, mentre QF è l’energia del combustibile impiegato per ottenere quell’effetto.

CUC = QU / QF

Si vuole sottolineare la sostanziale differenza con il COP delle macchine frigorifere elettriche a compressione, in cui il denominatore è rappresentato da energia elettrica e non da energia primaria (energia del combustibile).

Nel funzionamento in solo raffreddamento, le macchine a gas hanno un’efficienza leggermente inferiore dei sistemi ad azionamento elettrico, ciò è dovuto sostanzialmente alla ridotta taglia del motore, che comporta efficienze meccaniche inferiori ai grossi sistemi di generazione dell’energia elettrica. Tuttavia, se si considera anche la produzione di acqua calda sanitaria (ACS), si ottengono consistenti benefici energetici anche per modesti valori del rendimento meccanico.

In generale si può concludere che la pompa di calore azionata da motore endotermico consegue in modalità frigorifera valori di CUC più elevati rispetto alla situazione di riferimento, qualora venga recuperata una certa frazione del calore disponibile dal motore per produzione di ACS.

Nel funzionamento in riscaldamento, si osserva un valore di CUC sempre al di sopra rispetto alle caldaie di riferimento (rendimento medio annuo pari al 95%). Volendo confrontare la produzione di calore con quella di una equivalente pompa di calore elettrica ad aria con COP medio pari a 3 (corrispondente a una temperatura di mandata all’utenza di 55°C), già per valori relativamente bassi del rendimento meccanico si ottengono prestazioni energetiche migliori rispetto alla soluzione elettrica.

Se si considera inoltre l’ulteriore effetto utile dato dalla produzione di acqua calda sanitaria (ACS), si ottengono consistenti benefici energetici in tutti i casi. 

Alcuni costruttori di pompe di calore a gas propongono modelli cogenerativi. In tal caso è prevista la produzione aggiuntiva di una certa potenza elettrica (solitamente in quantità modesta, tipicamente pochi kW), per sopperire ai consumi degli ausiliari di impianto quali pompe e ventilatori o per fornire energia elettrica all’utenza, in relazione alla taglia del generatore elettrico.

Oltre a garantire all’impianto il funzionamento in caso d’interruzione della corrente (funzionamento in isola), la cogenerazione di energia elettrica consente un ulteriore ricavo economico. 

Con le pompe di calore a gas è possibile prevedere configurazioni con più unità esterne. L’uso di più unità esterne comporta la suddivisione del carico, operazione che consente di raggiungere rendimenti più elevati ai carichi parziali. Ulteriore vantaggio che deriva dall’uso di più unità esterne è la possibilità di eseguire la manutenzione di una delle unità senza spegnere l’impianto, poiché le altre unità possono continuare a funzionare.

Altre utenze ritenute interessanti per queste applicazioni sono gli alberghi, i centri sportivi, gli ospedali, le case di cura, e in generale tutte le utenze con elevati consumi di acqua sanitaria che rendono energeticamente efficiente la macchina anche durante i mesi estivi. Altre applicazioni di successo possono essere rappresentate da alcune utenze industriali, il cui processo di produzione è caratterizzato da contemporanea richiesta di calore e di freddo (per esempio processi di essicazione, asciugatura o deumidificazione, alcuni cicli di lavorazione nell’industria alimentare, eccetera).