Tipi e caratteristiche delle pompe di calore ad aria con tecnologia a basse emissioni di carbonio

Abstract: Le pompe di calore ad aria presentano buone prospettive applicative e sono state sviluppate diverse tipologie grazie alla loro facilità di utilizzo a basse temperature. Diversi tipi di pompe di calore ad aria presentano caratteristiche e applicabilità specifiche, e i prodotti più adatti possono essere selezionati in base allo scenario applicativo. 

Il calore a bassa temperatura delle pompe di calore aria-aria proviene dall'aria, che è presente ovunque, quindi sono ampiamente utilizzate in progetti con scarse risorse di calore di scarto e hanno ampie prospettive applicative. Anche le pompe di calore aria-aria hanno conosciuto un rapido sviluppo, con diverse tipologie di prodotti che compaiono sul mercato.

Diversi tipi di pompe di calore ad aria presentano caratteristiche proprie e questo articolo presenta alcune delle pompe di calore ad aria più comuni.

Pompa di calore ad aria compressa elettrica

La pompa di calore ad aria compressa elettrica è il tipo più comune e la tecnologia principale in molte regioni per convertire il carbone in elettricità.

La pompa di calore elettrica ad aria compressa utilizza un motore elettrico azionato dall'elettricità per far ruotare il compressore, pressurizzando il vapore refrigerante a bassa pressione ad alta pressione e aumentando la temperatura di condensazione; Nel condensatore, il vapore refrigerante condensa e rilascia calore, ottenendo un riscaldamento esterno, mentre il vapore refrigerante diventa refrigerante liquido; Dopo che il refrigerante liquido viene depressurizzato dalla valvola a farfalla, la temperatura di evaporazione diminuisce. L'evaporatore assorbe il calore dell'aria esterna e il refrigerante liquido evapora in vapore refrigerante a bassa pressione, che poi entra nel compressore per il ciclo successivo.

La pompa di calore elettrica ad aria compressa utilizza un compressore e una valvola a farfalla per dividere il refrigerante in parti ad alta e bassa pressione, ottenendo così la funzione di riscaldamento dell'aria a bassa temperatura. Durante questo processo, viene consumata una piccola quantità di elettricità, che viene immessa nel sistema di riscaldamento. La pompa di calore elettrica ad aria compressa ha una capacità unitaria ridotta ed è adatta al riscaldamento domestico. Se utilizzata per il riscaldamento centralizzato (riscaldamento di aree residenziali, ecc.), richiede numerose installazioni e un ingombro elevato.

Il problema principale delle pompe di calore elettriche ad aria compressa è la formazione di brina. Quando la temperatura di evaporazione del refrigerante è inferiore alla temperatura di rugiada dell'aria, si forma della brina sulla superficie del riscaldatore d'aria, compromettendo l'efficienza del trasferimento di calore. Il processo di sbrinamento aumenta il consumo energetico e compromette il comfort. Sebbene diversi produttori abbiano sviluppato tecnologie come isole energetiche e scambiatori di calore multizona per la lavorazione, non esiste un modo per risolvere radicalmente questo problema.

L'ampiezza dell'aumento di temperatura delle pompe di calore elettriche ad aria compressa è relativamente elevata e, a seconda delle diverse tipologie di compressore, possono essere suddivise in diverse tipologie, come compressione monostadio, compressione multistadio e alimentazione d'aria intermedia. Soprattutto con l'applicazione del fluido di lavoro a CO2, sono disponibili più opzioni per le pompe di calore elettriche ad aria ad alta temperatura.

Pompa di calore ad aria compressa a compressione di gas

La pompa di calore ad aria compressa utilizza un motore a gas per fornire energia cinetica, azionando il compressore. Il funzionamento degli altri componenti è lo stesso di una pompa di calore ad aria compressa elettrica. L'unità della pompa di calore ad aria compressa è relativamente piccola e la potenza del motore a gas non è elevata. Può essere alimentata dal motore di un'auto.

Anche le pompe di calore ad aria compressa a gas presentano il problema del congelamento. Grazie all'utilizzo del gas come energia motrice, è possibile sbrinarlo con i gas di combustione, garantendo un comfort termico superiore rispetto alle pompe di calore ad aria compressa elettriche. Tuttavia, il costo delle pompe di calore ad aria compressa a gas è relativamente elevato.

Pompa di calore ad aria ad assorbimento di ammoniaca

La pompa di calore ad aria con assorbimento di acqua e ammoniaca adotta il principio del ciclo di assorbimento e il fluido di lavoro è una soluzione acquosa di ammoniaca. Riscaldamento della soluzione concentrata di ammoniaca con una fonte di calore ad alta temperatura, evaporazione del gas di ammoniaca e formazione di una soluzione di ammoniaca diluita; La condensazione del gas di ammoniaca ad alta pressione fornisce il riscaldamento esterno producendo allo stesso tempo ammoniaca liquida; L'ammoniaca liquida subisce evaporazione a bassa temperatura dopo lo strozzamento, assorbendo calore dall'aria esterna per formare gas di ammoniaca; L'ammoniaca viene assorbita dalla soluzione diluita di ammoniaca, rilasciando calore verso l'esterno e la risultante soluzione concentrata di ammoniaca entra nel ciclo successivo.

Questo processo utilizza l'ammoniaca come refrigerante e l'acqua come assorbente. La temperatura di evaporazione dell'ammoniaca liquida è molto bassa, il che consente di assorbire il calore dell'aria a bassa temperatura. Tuttavia, durante il funzionamento dell'unità, l'ammoniaca subisce una conversione bifase gas-liquido, con conseguente elevata pressione interna e facili perdite; la fuoriuscita di ammoniaca gassosa rappresenta un certo livello di pericolo e richiede un'adeguata protezione e ventilazione.

Anche la capacità di una singola unità di una pompa di calore aria-acqua ad assorbimento di ammoniaca è relativamente ridotta. Se il carico termico è elevato, è necessario far funzionare più unità in parallelo.

L'apparecchio presenta anche problemi di congelamento. Tuttavia, poiché l'unità stessa è alimentata da calore ad alta temperatura (come gas, vapore, ecc.), lo sbrinamento è relativamente semplice e ha un impatto minimo sul comfort termico.

Pompa di calore ad aria ad assorbimento di bromuro di litio

Tutte le pompe di calore ad aria sopra menzionate presentano problemi di brina e sbrinamento. Sebbene esistano soluzioni specifiche, incidono sul comfort di riscaldamento e, cosa ancora più importante, incidono sul COP della pompa di calore e aumentano il consumo energetico. La pompa di calore ad aria ad assorbimento a bromuro di litio risolve completamente il problema della brina.

La pompa di calore ad assorbimento ad aria con bromuro di litio adotta un ciclo di assorbimento per il recupero del calore di scarto. Nel ciclo di assorbimento convenzionale con bromuro di litio, l'acqua viene utilizzata come refrigerante e la soluzione di bromuro di litio come assorbente. L'acqua è il refrigerante e la temperatura di refrigerazione deve essere superiore a 0 °C, altrimenti l'acqua congela e impedisce il funzionamento dell'unità. Questo è anche il motivo per cui le pompe di calore ad assorbimento convenzionali con bromuro di litio non possono assorbire calore al di sotto di 0 °C.

Per risolvere questo problema, la fonte d'aria ad assorbimento di bromuro di litio utilizza un metodo di spruzzatura della soluzione per estrarre calore dall'aria, evitando il problema del congelamento dell'acqua a 0 ℃ e ottenendo il recupero del calore di scarto a bassa temperatura.

La pompa di calore ad assorbimento ad aria con bromuro di litio ha una grande capacità unitaria e non è adatta al riscaldamento domestico. È più adatta al riscaldamento centralizzato, soprattutto nella ristrutturazione a risparmio energetico dei locali caldaia. La pompa di calore ad assorbimento ad aria con bromuro di litio adotta un metodo di scambio termico a spruzzo, che utilizza una soluzione per assorbire il calore dall'aria. Non solo non presenta il problema della formazione di brina, ma può anche assorbire il calore latente del vapore acqueo nell'aria ad alta umidità, migliorando l'efficienza di estrazione del calore.

Le pompe di calore ad assorbimento ad aria con bromuro di litio sono più adatte all'applicazione in progetti di riscaldamento centralizzato nel sud. Anche in caso di elevata umidità dell'aria, non si forma ghiaccio e anzi favorisce il recupero del calore di scarto.

Riepilogo

Il mercato delle pompe di calore ad aria è vasto e diversificato, adatto a diversi scenari di riscaldamento a risparmio energetico. Scegliere il tipo di pompa di calore ad aria più adatto in base alle caratteristiche del contesto applicativo può garantire risultati di riscaldamento ottimali.