Ing. Fabio Minchio Pompe di calore. ing. Fabio Minchio, Ph.D.

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Pompe di calore

ing. Fabio Minchio, Ph.D.

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Pompe di calore

Permettono di innalzare il livello di temperatura dell’energia dell’energia disponibile a più basso livello termico

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Pompe di calore – Ing. Fabio Minchio 2

Obbediscono ovviamente sia al primo che al secondo principio della termodinamica. Può risultare utile l’analogia idraulica.

Pompe di calore

Le principali tipologie di pompe di calore per utilizzo residenziale in funzione della tipologia dell’alimentazione sono:

1. Pompe di calore elettriche a compressione (largamente le più diffuse)

2. Pompe di calore ad assorbimento

3. Pompe di calore alimentate da motore a combustione interna/esterna

Tipologia di pompe di calore

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Tramite la fornitura di lavoro meccanico o elettrico si può rendere disponibile una quantità di calore a temperatura più bassa, ad esempio quella esterna a livello utile per il riscaldamento:

| Q

1

| | = Q

_o

| + L

Pompe di calore

AMBIENTE INTERNO/IMPIANTO RISC.

CONDENSATORE

VALVOLA DI LAMINAZIONE

COMPRESSORE ELETTRICO

M

CALORE DA SMALTIRE

T1

Q1

Tc>T1

P>,V

P>,L 3 2

Pompa di calore elettrica

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4

Potenza elettrica Pel =2.5 kW

Potenza termica utile Pt =10 kW

Potenza termica prelevata dalla sorgente Psorg =7.5 kW

COP = Pt/Pel = 10/2.5=4

Pompe di calore

Per una pompa di calore elettrica:

FUNZIONAMENTO INVERNALE Pt: Potenza termica

Pel: Potenza elettrica

COP: Coefficient of Performance

Psorg: Potenza prelevata dalla sorgente COP = Pt/Pel

Pt=Pel*COP Pel=Pt/COP

Psorg=Pt-Pel=Pt*(COP-1)/COP

I valori cambiano al variare delle temperature della sorgente e dell’impianto.

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Per una pompa di calore elettrica:

FUNZIONAMENTO ESTIVO Pf: Potenza frigorifera Pel: Potenza elettrica

EER: Energy Efficiency Ratio

Ppozzoter: Potenza immessa nel pozzo termico EER = Pf/Pel

Pf=Pel*EER Pel=Pf/EER

Ppozzoter=Pf*(EER+1)/EER

I valori cambiano al variare delle temperature della sorgente e dell’impianto.

Pompe di calore

Classificazioni pompe di calore

FLUIDO

TERMOVETTORE

• Idroniche

• Aerauliche CARATTERISTICHE COSTRUTTIVE

FUNZIONAMENTO A CARICO PARZIALE

• Monocompressore

• Multicompressore

• Inverter

FUNZIONALITA’ SORGENTE TERMICA

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6

• Refrigeranti impiegati prevalentemente sul mercato:

• HFC: R410A, R407C e R134a (soggetti a direttiva f-gas)

• Refrigeranti ottimizzati per i circuiti frigoriferi

• Hanno elevato potenziale climalterante (elevato GWP)

• Refrigeranti naturali «alternative» a GWP molto basso o nullo, ma con altre problematiche e limiti. Attualmente solo una nicchia di mercato

• R290 propano (infiammabilità)

• R717 ammoniaca (tossicità ed infiammabilità)

• R744 CO₂(pressioni di esercizio molto elevato)

Il mercato in presenza del phase down degli HFC si sta orientando verso refrigeranti a minore GWP di sintesi (R32 al posto del R410A o HFO (HydroFluoroOlefine) come HFO 1234yf

Pompe di calore elettriche

Pompe di calore

Pompa di calore elettrica

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• Tipologie di compressori

Pompe di calore elettriche

Pompe di calore

• Valvole di espansione

Pompe di calore elettriche

TERMOSTATICA

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8

Le pompe di calore possono essere realizzate:

•Monoblocco (macchine idroniche): tutti i componenti in un unico involucro, circuito frigorifero solo interno alla macchina

•Splittate: componenti posizionate su due elementi diversi collegati da una linea di refrigeranti

• Motoevaporante (all’interno solo il condensatore il resto nell’unità esterna)

• Evaporatore esterno

Caratteristiche costruttive

Pompe di calore

Pompe di calore monoblocco

Caratteristiche costruttive

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Pompe di calore split con motoevaporante esterna

Caratteristiche costruttive

Pompe di calore

Pompe di calore split con solo evaporatore esterno

Caratteristiche costruttive

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10

Le pompe di calore possono impiegare come fluido termovettore nella climatizzazione:

•Acqua (pompe di calore «idroniche») collegate poi ad un sistema di emissione classico (radiatore, venticonvettori, sistemi radianti)

•Aria (pompe di calore «aerauliche»), generalmente ad espansione diretta canalizzate o direttamente in ambiente

Fluido termovettore

Pompe di calore

Fluido termovettore

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Impianti IDRONICI:

•Realizzano cessione del calore attraverso un fluido termovettore (acqua) che può scambiare poi con aria immessa negli ambienti o arrivare direttamente al corpo scaldante

•Tipi di impianto:

1. Ad acqua (ventilconvettori, radiante, radiatori)

2. Ad aria-acqua (ventilconvettori o radiante + aria primaria)

3. Ad aria a portata costante CAV 4. Ad aria a portat variabile VAV

•Possono gestire contemporaneità caldo/freddo/acs con opportune configurazioni (impianti a 4 tubi e pompe di calore polivalenti)

Fluido termovettore

Pompe di calore

Impianti ESPANSIONE DIRETTA:

•Il refrigerante in questo caso scambia direttamente con l’aria cedendo direttamente l’energia termica senza un fluido intermedio

•Il refrigerante si espande in una batteria condensando cedendo calore all’aria ambiente che viene quindi riscaldata

Fluido termovettore

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12

Impianti VRF:

•Impianto costituito da unità esterna collegata con più unità interne collegate fra loro fra tubazioni di refrigerante

•Impianti possono essere realizzati:

• Il solo raffrescamento

• Il riscaldamento e raffrescamento

• Con moduli idronici o moduli ad aria

• Con recupero di calore

• Gestita la contemporaneità caldo/freddo/acs

•Per applicazioni in pompa di calore, per incontrare le esigenze del mercato europeo sono stati sviluppati da anni cosiddetti moduli «idronici» per l’interfaccia con impianti tradizionali, consentendo anche soluzioni ibride

Fluido termovettore

Pompe di calore

Le pompe di calore elettriche possono essere reversibili nel senso che funzionano nella stagione estiva come condizionatori. La reversibilità è ottenuta tramite una valvola che scambio il ruolo di evaporatore e condensatore (più raramente con inversione idraulica)

Reversibilità del ciclo

ESTATE INVERNO

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Sul mercato esistono tuttavia pompe di calore dedicate al solo riscaldamento.

In realtà l’inversione sul circuito frigorifero fa sempre perdere efficienza perché richiede organi con elevate perdite di carico (piccole differenze)

La scelta della macchina ottimizzata in pdc o in raffresc. va fatta ragionando su quale sia la stagione più importante. Spesso si incorre nell’errore di ottimizzare sempre sul riscaldamento quando molto spesso è la produzione di energia frigorifera l’elemento più importante (es. terziario, commerciale).

Nord Italia:

•Residenziale: privilegiare l’ottimizzazione in pompa di calore

•Terziario/commerciale: di norma privilegiare la produzione di energia frigorifera

Reversibilità del ciclo

Pompe di calore

Esistono inoltre alcuni prodotti dedicati alla sola produzione di acqua calda sanitaria, in particolare sviluppo in questo momento Operano su aria interna/aria ambienti non riscaldati

Pompe di calore solo acs

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14

Sul mercato asiatico sono state da tempo introdotte pompe di calore dedicate all’acqua calda sanitaria con refrigerante CO2 (eco-cute).

La CO₂ presenta un ciclo transcritico con un gas cooler al posto del condensatore con profilo di temperatura ideale per l’accoppiamento con il profilo di riscaldamento dell’acqua calda sanitaria

Pompe di calore solo acs

Pompe di calore

Pompe di calore solo acs

*ts denotes ‘temperature saturation’

CO2 R410A

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Quando la pompa di calore è in funzione l’edificio raramente chiede una potenza termica esattamente pari a quella nominale massima producibile dalla pompa di calore.

La pompa di calore pertanto si troverà ad operare a carico parziale con conseguenti perdite e riduzioni d’efficienza.

In relazione al comportamento a carico parziale una pompa di calore può essere:

•ON-OFF

•Multicompressore

•Inverter (o con sistema di modulazione equivalente)

Comportamento a carico parziale

Pompe di calore

POMPA DI CALORE ON-OFF

•Opera con cicli 0-100%

•E’ fondamentale contenere il numero di accensione e spegnimenti: si opera con contenuto d’acqua elevato dell’impianto (accumulo inerziale + acqua di impianto)

•Con adeguato dimensionamento accumulo (strategia

Comportamento a carico parziale

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POMPA DI CALORE MULTICOMPRESSORE

•Può avere multicompressore per circuito o più circuiti

•Di norma disponibile per potenze termiche >20 kWt

•Con ad esempio due compressori per circuito, si hanno gradini di parzializzazione 0-50%-100%; quando opera un solo compressore su tutto il circuito l’efficienza è superiore a quando opera al 100% (sfrutta una superficie di scambio superiore)

Comportamento a carico parziale

Pompe di calore

POMPA DI CALORE INVERTER

•Con inverter si opera una modulazione della portata di refrigerante in continua

•In realtà esiste una percentuale di parzializzazione minima (di norma 20-30%) al di sotto della quale la pompa di calore opera come una macchina ON-OFF

•Può consentire di ridurre il contenuto d’acqua d’impianto, in certe condizioni eliminando l’accumulo inerziale (in ogni caso non consigliabile)

•L’efficienza a carico parziale è superiore a quella al 100%

Comportamento a carico parziale

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Nel prendere in considerazione il possibile impiego di una pompa di calore in un qualsiasi impianto, si dovrebbe sempre tenere presente la rilevante sensibilità delle sue prestazioni alle temperature massima e minima del ciclo o, più sinteticamente, all'incremento di temperatura che la pompa di calore garantisce rispetto alla sorgente fredda. Il ciclo di Carnot suggerisce che:

Il valore reale di norma è inferiore al 50% del valore teorico.

Sorgenti termiche

COP T T T

= −

1

1 2

Pompe di calore

Sorgenti termiche

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18 Sorgenti termiche

Pompe di calore

Sorgenti termiche

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COP

Il COP varia in funzione della temperatura di condensazione e della temperatura dell’aria esterna (si veda esempio sottostante)

Pompe di calore

Le prestazioni di una pompa di calore sono di norma indicate attraverso il COP per il riscaldamento e l’EER (Energy Efficiency Ratio) per il raffrescamento: tali indici di efficienza sono sempre naturalmente riferiti a determinati valori delle temperature lato condensatore e lato evaporatore

Esistono dei riferimenti normativi per le prestazioni delle pompe di calore, sia elettriche sia ad assorbimento.

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20

Si è visto che la prestazioni di una pompa di calore DEVE sempre essere fornita in relazione a punti di lavoro specifici.

Le norme tecniche sulle prestazioni NOMINALI in determinate condizioni di prova (punti di lavoro a pieno carico in riscaldamento) sono le seguenti:

• UNI EN 14511 per le pompe di calore

La norma identifica i punti di lavoro di riferimento con due lettere, la prima riferita alla temperatura della sorgente la seconda alla temperatura di mandata lato impianto (Es.

A7W35 aria a 7 °C e temperatura di mandata lato impianto 35

°C).

Definisce le prestazioni a PIENO CARICO sia in funzionamento invernale sia in funzionamento estivo.

La norma è di riferimento per i dati sui cataloghi tecnici.

COP: riscaldamento EER: raffrescamento

Pompe di calore

Si è visto che la prestazioni di una pompa di calore DEVE sempre essere fornita in relazione a

Le norme tecniche sulle prestazioni NOMINALI in determinate condizioni di prova (punti di lavoro a pieno carico in riscaldamento) sono le seguenti:

• UNI EN 14825:2012

La norma si propone di stabilire la metodologia di prova per la definizione delle prestazione a CARICO PARZIALE dei climatizzatori e le efficienze stagionali convenzionali (SEER raffrescamento e SCOP riscaldamento)

Definirà una media pesata in base alle ore annuali di ogni °C con riferimento a Strasburgo (clima medio europeo) di tutti gli EER da 17 °C a 40 °Ce di tutti i COP da -10 °C a + 16°C.

Ci saranno poi riferimenti per un clima più caldo (Atene) e uno più freddo (Helsinki).

La norma servirà come riferimento per l’etichettatura energetica delle unità fino a 12 kW.

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Le prestazioni delle pompe di calore a gas a motore endotermico non hanno una propria norma di riferimento (si rifanno alla UNI EN 14511, ma in questo caso per tradurre i dati in termini di COP elettrico è necessario utilizzare un fattore di conversione).

Le pompe di calore ad assorbimento hanno invece una loro norma dedicata (EN 12309):

• Prestazioni in riscaldamento: G.U.E. (Gas Utilization Efficiency)

• Prestazioni in raffrescamento: EER

Pompe di calore

L’aria esterna è senza dubbio la sorgente termica più utilizzata per l’agevole disponibilità e per la grande diffusione dei sistemi split di piccola taglia.

La disponibilità è l’unico vantaggio dal momento che i livelli di temperatura sono in discordanza di fase con le necessità ed inoltre risulta oneroso e rumoroso movimentare l’aria.

Sorgenti termiche

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22

Al diminuire della temperatura esterna il compressore riduce la portata di massa elaborata. Ne deriva una riduzione della capacità.

La riduzione di COP è imputabile al maggiore divario di temperature.

Con una macchina ad aria in particolare bisogna quindi fare attenzione al dimensionamento della macchina stessa in rapporto ai carichi di progetto e valutare l’opportunità dell’installazione di un impianto ausialiario (es. caldaia)

Pompe di calore

Andamento di alcune grandezze al diminuire della temperatura dell’aria esterna

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Esempio di curva di potenza di una pompa di calore ad aria

Pompe di calore

Per le pompe di calore aria-acqua in particolare, e più in generale per tutte le pompe di calore, la relazione fra le temperatura della sorgente, la potenza termica e il carico dell’edificio è rappresentabile come segue:

Dimensionamento

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24

Pompe di calore – Ing. Fabio Minchio

Oltre al fattore di carico sono definite le seguenti temperature:

•

TOL: temperatura della sorgente fredda limite minima definita dal costruttore

•

θprog: temperatura di progetto della località considerata (o temperatura della sorgente fredda corrisponde alle condizioni di progetto)

•

θcut-off: temperatura di cut-off, al di sotto della quale la regolazione impostata spegne la pompa di calore (SCELTA PROGETTUALE, ad esempio in relazione al brinamento)

•

θbival: temperatura bivalente, temperatura della sorgente termica in corrispondenza della quale la pompa di calore fornisce esattamente una potenza termica pari a quella richiesta dall’edificio

Dimensionamento

Pompe di calore

Si configurano diverse strategie:

• CR<1 la pompa di calore copre il 100% del carico e opera sempre a carico parziale

• CR≥1 (al di sotto di θbival) la pompa di calore copre una parte del carico termico funzionando sempre a carico parziale, è necessaria un’integrazione da parte di un generatore ausiliario.

In questo caso Due ipotesi di funzionamento

• Funzionamento parallelo: l’integrazione copre solo il carico che la pompa di calore non riesce a fornire

• Funzionamento alternato: la pompa di calore si spegne e opera solo il generatore ad integrazione (al di sotto di θcut- off o in ogni caso al di sotto di TOL nell’ipotesi che TOL> θ prog)

• La procedura di calcolo considera le diverse ipotesi.

Dimensionamento

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Pompe di calore – Ing. Fabio Minchio Integrazione

Compressore

Regolazione-Integrazione resistenza elettrica

Riscaldamento Integrativo sempre abilitato

Il riscaldamento integrativo con caldaia viene abilitato per qualsiasi temperatura aria esterna

Pompe di calore

Prestazioni a carico parziale

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26

Pompe di calore – Ing. Fabio Minchio 7°C

10 kW

7 kW Prestazioni dichiarate dai costruttori

Aria 7°C – Acqua 35°C

Pompa di calore – scelta del generatore

Pompe di calore

7 kW 10 kW

7°C 10 kW

Prestazioni dichiarate dai costruttori Aria 7°C – Acqua 35°C

Fabbisogno Edificio 10 kW

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7 kW 10 kW Sotto i 0°C non riscaldo l’abitazione !!!

7°C 10 kW

Prestazioni dichiarate dai costruttori Aria 7°C – Acqua 35°C

Fabbisogno Edificio 10 kW

Pompe di calore

Inoltre vi è il problema del brinamento della batteria esterna

Sorgenti termiche: aria

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28

Si separa condensa e al di sotto degli 0°C alla superficie della batteria si ha formazione di ghiaccio che tende a bloccare il passaggio dell’aria.

È necessario effettuare lo sbrinamento di solito realizzato con l’inversione di ciclo e con problemi sia dal lato energetico che del benessere interno all’ambiente.

Al diminuire della temperatura oltre ad un peggioramento delle prestazioni energetiche si ha una caduta di capacità: la pompa di calore ad aria proprio quando fa più freddo riduce la potenza termica prodotta.

Sorgenti termiche: aria

Pompe di calore

Per quanto riguarda la penalizzazione di COP può risultare utile il seguente grafico:

Il grafico mostra che gli intervalli di sbrinamento risultano assai frequenti ad una temperatura attorno agli 0°C per un’umidità elevata. Per temperature più basse il problema è meno sentito.

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Individuare sorgenti alternative all’aria può portare quindi molti vantaggi:

1. Eliminazione del fenomeno del brinamento

2. Riduzione del rumore: la movimentazione dell’aria è una sorgente di rumore non di semplice riduzione

3. le batterie non sono sempre agevolmente collocabili all'esterno, se non con soluzioni sovente esteticamente discutibili;

4. un'adeguata movimentazione dell'aria può avere costi energetici non trascurabili.

Sorgenti termiche

Pompe di calore

Le principali sorgenti alternative all’aria sono:

1. Acque (superficiali e sotterranee) 2. Terreno

3. Recupero termico

4. Energia atmosferica (ad esempio il solare termico)

Sorgenti termiche alternative

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30 COP di pareggio con caldaie

Cavallini, 2009

Pompe di calore

Cavallini, 2009

COP di pareggio con caldaie

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Cavallini, 2009

COP di pareggio con caldaie

Pompe di calore

COP di pareggio con caldaie

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32

Il principio delle pompe di calore ad assorbimento è illustrato di seguito.

Se due recipienti sigillati verso l’esterno e fra di loro comunicanti sono ad un livello di pressione sufficientemente basso (se il refrigerante è l’acqua si deve essere attorno ad 800 Pa), l’acqua evapora a bassa temperatura con effetto frigorifero dal recipiente E e viene assorbita con sviluppo termico nel recipiente A contenente un’adatta soluzione di acqua e di un sale.

Lo stesso fenomeno si realizza usando un diverso refrigerante ed una soluzione ad esso affine, ad esempio acqua e ammoniaca.

PDC ad ASSORBIMENTO

Pompe di calore

Il processo può procedere fintantoché la soluzione non si impoverisca troppo in sale e non aumenti eccessivamente la sua temperatura. Poi è necessario rigenerare mediante riscaldamento e ritorno del vapore d’acqua recipiente di partenza con adeguato raffreddamento per la condensazione: ciò può dar luogo ad un ciclo intermittente.

PDC assorbimento

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Il ciclo può essere reso continuo mediante un sistema di raffreddamento dell’assorbitore e una rigenerazione della soluzione realizzata con riscaldamento ad una pressione più alta con espulsione all’esterno del vapore d’acqua prodotto.

L’acqua va ovviamente reintegrata.

Il passo successivo è la realizzazione di un ciclo continuo.

PDC assorbimento

Pompe di calore

Esso prevede un condensatore cui arrivi il vapore derivante dalla rigenerazione della soluzione. Tale rigenerazione è dovuta ad un riscaldamento ad una temperatura adatta alla pressione che si è scelta (funzione del pozzo freddo) per

PDC assorbimento

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34

Il bilancio termico della macchina prevede che assorbitore e condensatore dissipino l’energia che arriva a generatore ed evaporatore.

Q Q

Q

Q _a ⁺ _c ⁼ _g ⁺ _e

Sulla base del flusso termico utile all’evaporatore e quello da fornire al generatore viene definito il COP (la pompa della soluzione richiede un input energetico trascurabile):

Q COP Q

g

= e

PDC assorbimento

Pompe di calore

PRESTAZIONI ENERGETICHE

RISCALDAMENTO

y = -1E-09x⁶ + 5E-08x⁵ + 9E-07x⁴ - 5E-05x³ - 0.0003x² + 0.0249x + 1.3377 y = 3E-10x⁶ - 6E-09x⁵ + 2E-07x⁴ - 1E-05x³ - 0.0003x² + 0.0178x + 1.3886

0.95 1.05 1.15 1.25 1.35 1.45 1.55 1.65

-25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30

T aria esterna [°C]

G.U.E.

G.U.E. 45 G.U.E. 35 Poli. (G.U.E. 45) Poli. (G.U.E. 35)

Gas Utilization Efficiency - Pdc ad assorbimento aria-acqua

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Una pompa di calore a gas può essere costituita da un motore a c.i. e da una pompa di calore a compressione meccanica

:

PDC motore endotermico

Pompe di calore

Denominati anche sistemi GHP (GAS HEAT PUMP) o sistemi TOTAL ENERGY consentono di ottenere elevata efficienza sfruttando al meglio il combustibile fossile in ingresso (di norma gas naturale)

Sul mercato esistono due tipologie di prodotti:

•Prodotti di piccola taglia (di norma giapponesi) basati su evoluzioni di motori automobilistici

•Prodotti di grossa taglia accoppiati a classici cogeneratori