SISTEMI DI PRODUZIONE DEL FREDDO

I sistemi di produzione del freddo rappresentano una parte fondamentale di un impianto di trigenerazione in quanto utilizzano i cascami energetici dell’impianto di cogenerazione per produrre l’energia frigorifera necessaria al raffreddamento.

Nel presente lavoro vengono prese in considerazione sistemi idonei in ambito residenziale, quali pompe di calore a compressione con condensazione ad aria e pompe di calore ad assorbimento, entrambe reversibili, direttamente alimentate rispettivamente dai surplus elettrici e termici del cogeneratore.

2.2.1 POMPA DI CALORE A COMPRESSIONE

Le pompe di calore a compressione con condensazione ad aria rappresentano una tecnologia ormai ampiamente consolidata. Come noto, lo schema di funzionamento è costituito da un circuito chiuso all’interno del quale un fluido frigorigeno attraversa le fasi di compressione, condensazione, laminazione ed evaporazione, estraendo ed apportando calore, a fronte di un lavoro speso sotto forma di energia elettrica. La valvola di espansione reversibile permette di cambiare la direzione di scorrimento del fluido refrigerante in modo da apportare calore in inverno ed estrarre calore, per il raffreddamento, in estate.

Nella sua configurazione di base, una macchina frigorifera a compressione è composta dai seguenti elementi, secondo lo schema riportato in Figura 2.17:

− un compressore, attraverso il quale viene fornita energia al sistema ed in cui il fluido refrigerante, sotto forma di gas, aumenta la propria pressione; − un condensatore, costituito da uno scambiatore di calore, nel quale il calore

assorbito viene dissipato ed il refrigerante passa dallo stato gassoso allo stato liquido;

− un espansore, costituito generalmente da una valvola di espansione, in cui la pressione del liquido (e conseguentemente la sua temperatura) viene abbassata drasticamente;

− un evaporatore, costituito anch'esso (come il condensatore) da uno scambiatore di calore, in cui il refrigerante liquido, in condizioni di bassa pressione e temperatura, assorbe calore dall'ambiente, trasformandosi in gas.

Figura 2.17: Schema di funzionamento di una macchina frigorifera a compressione

Nel condensatore e nell'evaporatore il calore viene scambiato sotto forma di calore latente.

I pregi principali delle pompe di calore a compressione elettriche sono relativi alla semplicità costruttiva ed ai bassi oneri manutentivi.

Per contro, rispetto ad esempio ad altre tecnologie impiegabili in ambito trigenerativo (pompe con condensazione ad acqua o a sonda geotermica) sono caratterizzate da efficienze nominali più basse.

L’efficienza di una pompa di calore, in fase di riscaldamento, è misurata dal Coefficiente di Prestazione (COP - Coefficient of Performance), definito come rapporto tra la quantità di calore ceduta durante la trasformazione ed il lavoro speso dalla macchina per compiere il ciclo stesso, mentre, in fase di raffreddamento, è misurata dall’Indice di Efficienza Energetica (EER - Energy Efficiency Ratio), definito dal rapporto tra il calore assorbito dalla sorgente a temperatura più bassa ed il lavoro speso.

In relazione a tali indicatori di efficienza, una pompa a compressione elettrica può raggiungere valori di COP che variano da 2,7 a 3,5 ed EER compresi tra 2,3 e 3, in funzione della taglia e della temperatura dell’aria esterna.

2.2.2 POMPA DI CALORE AD ASSORBIMENTO

Negli ultimi anni è aumentata notevolmente la diffusione delle pompe di calore ad assorbimento, il cui impiego non si limita più alle tradizionali applicazioni industriali, ma, grazie all’impulso dato dallo sviluppo dei sistemi di trigenerazione, è iniziata una loro progressiva penetrazione anche nel settore della climatizzazione civile, in alternativa ai gruppi elettrici.

A differenza di una macchina a compressione elettrica, gli assorbitori impiegano come fonte di alimentazione del calore che può essere prodotto da un bruciatore di combustibile (assorbitore a fiamma diretta) oppure da un sistema di recupero di calore (mediante acqua o vapore). In quest’ultimo caso è possibile l’accoppiamento tra l’assorbitore ed un impianto cogenerativo per impiego trigenerativo.

Una macchina frigorifera ad assorbimento, nella sua configurazione base, è costituita dai seguenti componenti essenziali [26], secondo lo schema riportato in Figura 2.18:

− un evaporatore, nel quale attraverso l’evaporazione del fluido refrigerante si ha la sottrazione di calore dall’ambiente da raffreddare;

− un assorbitore, in cui il refrigerante evaporato (fortemente concentrato) viene riassorbito dalla soluzione (diluita) grazie ad una differenza di concentrazione e con un raffreddamento con fluido esterno;

− una pompa che invia la soluzione dall’assorbitore al generatore e aumenta la pressione del fluido;

− un generatore (anche detto desorbitore), dove la soluzione rilascia una frazione di soluto per evaporazione, grazie ad un flusso di calore proveniente dall’esterno;

− un condensatore, dove il vapore, proveniente dal generatore, viene condensato, con trasferimento di calore all’esterno, mediante il medesimo fluido esterno che ha operato il raffreddamento presso l’assorbitore; spesso il fluido vettore di raffreddamento è acqua, inviata in una apposita torre di raffreddamento;

− una valvola di laminazione, che riporta il fluido nell’evaporatore e ne riabbassa la pressione.

Figura 2.18: Schema di funzionamento di una pompa di calore ad assorbimento

Il ciclo di funzionamento si basa sull’affinità e solubilità del refrigerante e della soluzione assorbente. Le coppie di fluidi più diffuse sono NH3-H2O, ovvero ammoniaca come refrigerante ed acqua come assorbente, e H2O-LiBr, ovvero acqua come refrigerante e una soluzione di bromuro di litio come assorbente, con quest’ultima caratterizzata da rendimenti maggiori. La prima coppia di fluidi è maggiormente impiegata nelle applicazioni di refrigerazione industriale, con basse temperature di evaporazione, mentre la coppia acqua-bromuro di litio è ampiamente usata per applicazioni di condizionamento dell’aria in ambito civile.

Le pompe ad assorbimento attualmente disponibili sul mercato possono essere a singolo stadio o a doppio stadio (che differisce dall’impianto a singolo stadio sopra descritto essenzialmente per la presenza di due generatori posti in cascata), mentre macchine a triplo stadio, con efficienze maggiori, sono di prossima commercializzazione.

I range di potenze frigorifere sono elevati e variano da poco più di 10 kW ad oltre 20 MW, rispettivamente per macchine a singolo e doppio stadio.

Per quanto riguarda le pompe ad assorbimento che utilizzano il bromuro di litio come assorbente e l’acqua come refrigerante, la fonte di calore deve essere ad una temperatura minima di 60-80 ºC, per macchine a singolo stadio, o a 150-200 ºC, se si considera un sistema a doppio stadio. I sistemi che usano ammoniaca come refrigerante, invece, necessitano di una fonte di calore pari a 100-120 ºC, nel sistema singolo stadio.

L’efficienza degli assorbitori, misurata in termini di freddo prodotto rispetto alla quantità di calore introdotto, varia da valori di EER pari a 0,7, per le macchine a singolo stadio, a valori di EER pari a 1,2, per le macchine a doppio stadio. Nel riscaldamento invernale, i valori del COP sono pari a circa 0,9.