Caratteristiche delle pompe di calore ad assorbimento

1. Non richiede particolari oneri per impegno di potenza elettrica.

Una pompa di calore a compressione da 40 kWtpuò assorbire oltre 10 kWe, richieden- do oneri contrattuali non trascurabili e possibili difficoltà anche per la disponibilità di potenza elettrica a livello regionale. Le GAHP necessitano di un assorbimento di elettricità modesta, da 400 W per le macchine acqua-acqua, fino a 900 W per le aria-acqua, evitando questi problemi.

2. In funzionamento invernale hanno prestazioni competitive in termini di energia primaria rispetto le pompe di calore elettriche.

Per definire le prestazioni delle pompe di calore ad assorbimento si utilizza il GUE, Gas utilizationn efficiency , definito come il rapporto tra la potenza termica utile (generalmente potenza ceduta alla sorgente calda in stagione invernale) e l’input ter- mico ottenuto dalla combustione del metano. Per considerare anche l’assorbimento elettrico della macchina, si può considerare il PER, Primary Energy Ratio, rappor- to tra l’energia termica utile e l’energia termica in ingresso, pari alla somma del consumo di gas naturale e dell’elettricità, quest’ultimo moltiplicato per il fattore di trasformazione (pari a fel = 2.5, corrispondente a un rendimento complessivo della rete elettrica del 40 %).

GU E = Qth Qmet

; P ER = Qth Qmet+ Pel· fel

. (2.7)

Si può definire il rapporto di energia primaria anche per le pompe di calore a com- pressione2 _{(EHP, Electric Heat Pump), che utilizzando lo stesso fattore di trasforma-}

zione e considerando che in ingresso si ha solo energia elettrica, si può definire come P ER = COP/fel.

(a) COP e GUE (CR=100%) [29] [33] (b) PER (CR=100%) [29][33]

Figura 2.22: Prestazioni di pompe di calore aria-acqua elettriche e ad assorbimento

2_{Nelle specifiche tecniche erano dichiarati solamente i valori di COP al massimo carico con temperature}

esterne di -20, -10, -7, 0, 2, 7, 10, 15 ℃. Per estendere i valori alle temperature intermedie si è utilizzata la procedura della UNI 11000-300 parte 4, sfruttando l’interpolazione del rendimento di secondo principio [21]. Al contrario i GUE delle macchine ad assorbimento nel catalogo sono già dichiarate per ogni grado.

In Figura 2.22 si osservano gli andamenti dei due coefficienti per EHP e GAHP ae- rotermiche di potenza massima intorno ai 40kWth, in funzione della temperatura esterna, in condizione di carico massimo, e per due diverse temperature di mandata agli utilizzatori. Si possono immediatamente cogliere una peculiarità delle macchine ad assorbimento: i rendimenti risentono in maniera minore della variazione della tem- peratura delle due sorgenti. Per fare un confronto tra le GAHP e EHP, si analizzano i PER delle due macchine prese in esame. Per prima cosa, con temperature alte degli utilizzatori (in Figura2.22 si considerano 60 ℃) solo le macchine a metano possono essere utilizzate, perché, ammesso che le pompe di calore elettriche arrivino a tali livelli di temperatura, hanno prestazioni molto penalizzanti. Inoltre le curve delle GAHP hanno una pendenza minore rispetto quelle delle macchine elettriche, quindi la convenienza deve essere esaminata di caso in caso. Si evince che con climi rigidi e temperature esterne mediamente basse, considerando che i costi di installazione tra i due impianti sono confrontabili, le GAHP possono risultare convenienti (precisamen- te, nell’esempio in Figura2.22si ha convenienza delle macchine ad assorbimento con temperature minori di 6 ℃).

Figura 2.23: Prestazioni delle macchine GAHP acqua-acqua (CR=100%) [29] In Figura2.23, si può osservare il comportamento di una GAHP idrotermica. I coeffi- cienti di prestazione migliorano rispetto la macchina ad aria e la dipendenza rispetto la temperatura dell’acqua di ingresso all’evaporatore è diminuita.

3. La richiesta energetica della sorgente fredda è bassa.

Considerando un valore di GUE di 1.6, ogni chilowatt di calore fornito all’utenza necessita di 0.625 kW fornita dal combustibile e 0.375 kW sottratto dalla sorgente fredda. Con una buona pompa di calore elettrica con COP di 4, per ogni kW di potenza termica, il calore fornito dalla sorgente fredda è pari a 0.75 kW, quasi il doppio. Consapevoli del fatto che la sorgente fredda è tutt’altro che gratuita, il van- taggio è elevato per qualsiasi sorgente sia per i costi di investimento che di esercizio. Ad esempio, con macchine aerotermiche e idrotermiche, è evidente un risparmio sui consumi degli ausiliari, ventilatori e pompe. Per le pompe di calore geotermiche si

può risparmiare il 40 % di scambiatori a terra, con minori costi, minori tempi di ritorno e minori sollecitazioni termiche del terreno.

4. Le prestazioni risentono poco della temperatura della sorgente fredda. Dalla Figura 2.22 si osserva che le tutte le curve caratteristiche delle macchine ad assorbimento sono poco pendenti rispetto quelle delle macchine a compressione. La minore sensibilità alle temperature esterne rende le macchine ad assorbimento adatte a climi rigidi rispetto a pompe di calore elettriche che abbassano significativamente le prestazioni.

5. Le prestazioni nel funzionamento estivo sono scadenti.

Le prestazioni estive sono molto penalizzanti, rispetto le pompe di calore a compres- sione. Il ciclo GAX permette dei GUE estivi di 0.71 (che comunque è un miglio- ramento rispetto ai rendimenti del macchine a ciclo semplice di circa 0.5). Dunque indicativamente pompe di calore a compressione con EER superiori a 1.75 risultano in un’analisi di energia primaria migliori rispetto alle GAHP. Questo è il motivo prin- cipale per cui le macchine GAHP sono convenienti in situazioni in cui il fabbisogno invernale è unico o preponderante rispetto alla refrigerazione estiva.

6. I livelli di temperatura raggiungibili sono elevati.

Dalla Figura 2.22si evince che le GAHP possono essere convenienti in operazioni di retrofitting, riuscendo a mantenere GUE interessanti con temperature di mandata adatte a utilizzatori tradizionali (come radiatori classici). Al contrario le macchine a compressione generalmente non possono lavorare a tali condizioni di mandata agli ambienti da riscaldare. Le EHP generalmente non riescono a superare le temperature utili di 55 ℃. Le GAHP non hanno neanche problemi per la produzione di acqua calda sanitaria, dal punto di vista di livelli di temperatura, tempi di produzione e dimensionamento degli scambiatori di calore. Le pompe di calore a compressione hanno grosse difficoltà per il raggiungimento delle temperature necessarie all’ACS, possibili solo tramite il recupero sul desurriscaldatore, che richiede dimensionamenti ampi e tempi lunghi.

7. Si ha un numero ridotto delle parti in movimento.

La macchina GAHP è sostanzialmente un insieme ordinato di scambiatori, dunque una macchina di tipo statico, con la pompa delle soluzioni come unica parte in movi- mento. Sono macchine ermetiche e completamente sigillate, senza problemi di perdite di refrigerante (non è necessario alcun rimbocco del refrigerante durante la vita utile). 8. Il confronto economico rispetto alle macchine a compressione è difficile.

A proposito del confronto economico si possono solamente fare alcune semplici con- siderazioni. I costi di installazioni sono abbastanza confrontabili tra le due tipologie di macchine. Come già specificato, con un carico considerevole di raffrescamento le macchine GAHP non possono essere prese in considerazione. Negli altri casi la scelta deve essere diretta da un’analisi attenta delle prestazioni e delle tariffe del gas e del- l’elettricità (con i vari costi di installazione delle cabine e di contratto che possono comportare un eventuale assorbimento elettrico di diversi kW).

Tra le caratteristiche elencate, si vuole sottolineare la relativamente bassa richiesta energetica alla sorgente fredda. Ciò rende molto interessante la possibilità di impianti geo- termici, i quali si caratterizzano da prestazioni interessanti ma elevati costi di installazione degli scambiatori a terra, che spesso rendono non conveniente l’investimento. Le pompe di calore ad assorbimento richiedono una minore superficie di scambio, dunque minor numero di sonde geotermiche, rendendo l’investimento meno oneroso.