Sezioni dell’articolo
- Storia della pompa di calore
- Design e principio di funzionamento della pompa di calore
- Tipi di collettori di calore per pompe di calore
- Alla fine
In questo articolo: la storia della pompa di calore come funziona e funziona la pompa di calore; tipi di pompe di calore; energia termica da aria, acqua e suolo; alla fine – i pro e i contro delle pompe di calore.
Con l’obiettivo di sconfiggere il freddo invernale, i proprietari di case cercano energia e caldaie per riscaldamento adeguate, invidiose dei fortunati che hanno linee di rifornimento di gas naturale per le loro case. Ogni inverno, migliaia di tonnellate di legna, carbone, prodotti petroliferi vengono bruciati nelle stufe, megawatt di elettricità vengono consumati per quantità astronomiche che aumentano ogni anno e sembra che non ci sia altra via d’uscita. Nel frattempo, una fonte costante di energia termica si trova sempre vicino alle nostre case, tuttavia è piuttosto difficile per la popolazione della Terra notarla in questa veste. E se usassimo il calore del nostro pianeta per riscaldare le case? E c’è un dispositivo adatto per questo: una pompa di calore geotermica.
Storia della pompa di calore
La dimostrazione teorica del funzionamento di tali dispositivi nel 1824 fu fornita dal fisico francese Sadi Carnot, che pubblicò il suo unico lavoro sui motori a vapore, che descrisse il ciclo termodinamico, che fu confermato matematicamente e graficamente 10 anni dopo dal fisico Benoit Cliperon e chiamato “ciclo di Carnot”.
Il primo modello di laboratorio di una pompa di calore fu creato dal fisico inglese William Thomson, Lord Kelvin nel 1852, durante i suoi esperimenti di termodinamica. A proposito, la pompa di calore ha preso il nome da Lord Kelvin..
William Thomson, barone Kelvin
Un modello di pompa di calore industriale fu costruito nel 1856 dall’ingegnere minerario austriaco Peter von Rittinger, che usò questo dispositivo per evaporare la salamoia e drenare le saline per estrarre il sale secco.
Peter Ritter von Rittinger
Tuttavia, la pompa di calore deve il suo utilizzo nelle case di riscaldamento all’inventore americano Robert Webber, che ha sperimentato un congelatore alla fine degli anni ’40 del secolo scorso. Robert notò che il tubo in uscita dal congelatore era caldo e decise di usare questo calore per le esigenze domestiche allungando il tubo e facendolo passare attraverso la caldaia con acqua. L’idea dell’inventore si rivelò vincente: da quel momento la famiglia ebbe un’abbondanza di acqua calda, mentre una parte del calore veniva spenta senza meta, lasciando l’atmosfera. Webber non ha potuto accettarlo e ha aggiunto una bobina all’uscita dal congelatore, accanto alla quale ha posizionato una ventola, risultando in un impianto per il riscaldamento dell’aria della casa. Dopo un po ‘di tempo, l’inventore americano ha capito che era possibile estrarre letteralmente calore dal terreno sotto i suoi piedi e seppelliva un sistema di tubi di rame con il freon che circolava attraverso di essi ad una certa profondità. Il gas raccolse calore nel terreno, lo consegnò alla casa e lo diede via, quindi tornò al collettore di calore sotterraneo. La pompa di calore creata da Webber si è rivelata così efficace da trasferire completamente il riscaldamento della casa a questa installazione, abbandonando i tradizionali dispositivi di riscaldamento e le fonti di energia..
La pompa di calore, inventata da Robert Webber, per molti anni era considerata più un’assurdità che una fonte di energia termica veramente efficace: l’energia del petrolio era in abbondanza, a prezzi abbastanza ragionevoli. L’interesse per le fonti di calore rinnovabili è cresciuto nei primi anni ’70, grazie all’embargo petrolifero del 1973, durante il quale i paesi del Golfo si sono rifiutati all’unanimità di fornire petrolio agli Stati Uniti e all’Europa. La carenza di prodotti petroliferi ha causato un brusco balzo dei prezzi dell’energia – un bisogno urgente di uscire dalla situazione. Nonostante il successivo revoca dell’embargo nel 1975 e il ripristino delle forniture di petrolio, i produttori europei e americani hanno affrontato lo sviluppo dei propri modelli di pompe di calore geotermiche, la cui domanda consolidata è cresciuta solo da allora..
Design e principio di funzionamento della pompa di calore
Mentre affondiamo nella crosta terrestre, sulla superficie della quale viviamo e il cui spessore sulla terra è di circa 50-80 km, la sua temperatura aumenta – questo è dovuto alla vicinanza dello strato superiore di magma, la cui temperatura è di circa 1300 ° C. A una profondità di 3 metri o più, la temperatura del suolo è positiva in qualsiasi momento dell’anno; ad ogni chilometro di profondità, aumenta in media di 3-10 ° C. L’aumento della temperatura del suolo con la sua profondità dipende non solo dalla zona climatica, ma anche dalla geologia del suolo, nonché dall’attività endogena in una determinata area della Terra. Ad esempio, nella parte meridionale del continente africano, l’aumento di temperatura per chilometro di profondità del suolo è di 8 ° C, e nell’Oregon (USA), sul territorio del quale si nota un’attività endogena abbastanza elevata – 150 ° C per ogni chilometro di profondità. Tuttavia, per un funzionamento efficiente della pompa di calore, il circuito esterno che fornisce calore ad esso non deve essere interrato a centinaia di metri sotto terra: qualsiasi mezzo con una temperatura superiore a 0 ° C può essere una fonte di energia termica..
La pompa di calore trasferisce energia termica dall’aria, dall’acqua o dal suolo, aumentando la temperatura durante il trasferimento alla temperatura richiesta a causa della compressione (compressione) del refrigerante. Esistono due tipi principali di pompe di calore: compressione e assorbimento.
La struttura di base di una pompa di calore a compressione: 1 – terra; 2 – circolazione salamoia; 3 – pompa di circolazione; 4 – evaporatore; 5 – compressore; 6 – condensatore; 7 – sistema di riscaldamento; 8 – refrigerante; 9 – soffocare
Nonostante il nome confuso, le pompe di calore a compressione non sono dispositivi di riscaldamento, ma dispositivi di refrigerazione, perché funzionano secondo lo stesso principio di qualsiasi frigorifero o condizionatore d’aria. La differenza tra una pompa di calore e le unità di refrigerazione a noi ben note è che, di norma, sono necessari due circuiti per il suo funzionamento: uno interno, in cui circola il refrigerante, e uno esterno, con una circolazione di refrigerante..
Durante il funzionamento di questo dispositivo, il refrigerante nel circuito interno passa attraverso le seguenti fasi:
- il refrigerante raffreddato allo stato liquido entra nell’evaporatore attraverso l’apertura capillare. Sotto l’influenza di una rapida diminuzione della pressione, il refrigerante evapora e si trasforma in uno stato gassoso. Muovendosi lungo i tubi curvi dell’evaporatore e mettendosi in contatto durante il movimento con un vettore di calore gassoso o liquido, il refrigerante riceve energia termica a bassa temperatura da esso, dopo di che entra nel compressore;
- nella camera del compressore, il refrigerante viene compresso, mentre la sua pressione aumenta bruscamente, causando un aumento della temperatura del refrigerante;
- Dal compressore, il refrigerante caldo segue il circuito nella serpentina del condensatore, che funge da scambiatore di calore – qui il refrigerante emette calore (circa 80-130 ° C) al refrigerante che circola nel circuito di riscaldamento della casa. Avendo perso la maggior parte dell’energia termica, il refrigerante ritorna allo stato liquido;
- quando passa attraverso la valvola di espansione (capillare) – si trova nel circuito interno della pompa di calore, seguendo lo scambiatore di calore – la pressione residua nel refrigerante diminuisce, dopodiché entra nell’evaporatore. Da questo momento, il ciclo di lavoro si ripete nuovamente.
Principio di funzionamento della pompa di calore ad aria
Pertanto, la struttura interna di una pompa di calore è costituita da un capillare (valvola di espansione), un evaporatore, un compressore e un condensatore. Il funzionamento del compressore è controllato da un termostato elettronico che interrompe l’alimentazione al compressore e quindi interrompe il processo di generazione del calore quando viene raggiunta la temperatura dell’aria impostata in casa. Quando la temperatura scende al di sotto di un certo livello, il termostato accende automaticamente il compressore.
I freoni R-134a o R-600a circolano come refrigerante nel circuito interno della pompa di calore: il primo si basa sul tetrafluoroetano, il secondo sull’isobutano. Entrambi questi refrigeranti sono sicuri per lo strato di ozono terrestre e rispettosi dell’ambiente. Le pompe di calore a compressione possono essere azionate da un motore elettrico o un motore a combustione interna.
Le pompe di calore ad assorbimento utilizzano l’assorbimento – un processo fisico-chimico durante il quale un gas o un liquido aumenta di volume a causa di un altro liquido sotto l’influenza della temperatura e della pressione.
Schema di una pompa di calore ad assorbimento: 1 – acqua riscaldata; 2 – acqua raffreddata; 3 – riscaldamento a vapore; 4 – acqua riscaldata; 5 – evaporatore; 6 – generatore; 7 – condensatore; 8 – gas non condensabili; 9 – pompa del vuoto; 10 – riscaldamento della condensa del vapore; 11 – scambiatore di calore in soluzione; 12 – separatore di gas; 13 – assorbitore; 14 – pompa per malta; 15 – pompa del liquido di raffreddamento
Le pompe di calore ad assorbimento sono dotate di un compressore termico a gas naturale. Nel loro circuito c’è un refrigerante (solitamente ammoniaca), che evapora a bassa temperatura e pressione, assorbendo energia termica dall’ambiente circostante il circuito di circolazione. Allo stato di vapore, il refrigerante entra nello scambiatore di calore-assorbitore, dove, in presenza di un solvente (di solito acqua), viene assorbito e il calore viene trasferito al solvente. Il solvente viene fornito per mezzo di un termosifone che circola attraverso la differenza di pressione tra refrigerante e solvente o una pompa a bassa energia in impianti ad alta capacità.
Come risultato della combinazione del refrigerante e del solvente, i cui punti di ebollizione sono diversi, il calore fornito dal refrigerante fa evaporare entrambi. Il refrigerante allo stato di vapore, che ha una temperatura e una pressione elevate, entra nel condensatore attraverso il circuito, si trasforma in uno stato liquido e rilascia calore allo scambiatore di calore della rete di riscaldamento. Dopo aver attraversato la valvola di espansione, il refrigerante passa allo stato termodinamico originale, allo stesso modo in cui il solvente ritorna allo stato originale.
I vantaggi delle pompe di calore ad assorbimento sono la capacità di funzionare da qualsiasi fonte di energia termica e la completa assenza di elementi mobili, ovvero la silenziosità. Svantaggi: meno energia rispetto alle unità di compressione, costi elevati, a causa della complessità del design e della necessità di utilizzare materiali resistenti alla corrosione che sono difficili da lavorare.
Pompa di calore ad assorbimento
Le pompe di calore ad adsorbimento utilizzano materiali solidi come gel di silice, carbone attivo o zeolite. Durante la prima fase di lavoro, chiamata fase di desorbimento, l’energia termica viene fornita alla camera dello scambiatore di calore, che è coperta con assorbente dall’interno, ad esempio da un bruciatore a gas. Il riscaldamento provoca la vaporizzazione del refrigerante (acqua), il vapore risultante viene erogato al secondo scambiatore di calore, che nella prima fase emette il calore ottenuto durante la condensazione del vapore nell’impianto di riscaldamento. L’essiccazione completa dell’assorbente e il completamento della condensazione dell’acqua nel secondo scambiatore di calore completa la prima fase del lavoro: la fornitura di energia termica alla camera del primo scambiatore di calore si arresta. Nella seconda fase, lo scambiatore di calore ad acqua condensata diventa un evaporatore, fornendo energia termica dall’ambiente esterno al refrigerante. Come risultato del rapporto di pressione che raggiunge 0,6 kPa, al contatto del calore dall’ambiente esterno, il refrigerante evapora – il vapore acqueo ritorna nel primo scambiatore di calore, dove viene adsorbito nel sorbente. Il calore emesso dal vapore durante il processo di adsorbimento viene trasferito al sistema di riscaldamento, dopodiché il ciclo viene ripetuto. Va notato che le pompe di calore ad adsorbimento non sono adatte per l’uso domestico – sono destinate solo a grandi edifici (da 400 m2), sono ancora in fase di sviluppo modelli meno potenti.
Tipi di collettori di calore per pompe di calore
Le fonti di energia termica per le pompe di calore possono essere diverse: geotermica (tipo chiuso e aperto), aria, utilizzando calore secondario. Consideriamo ciascuna di queste fonti in modo più dettagliato..
Le pompe di calore geotermiche consumano energia termica dal sottosuolo o dalle acque sotterranee e sono divise in due tipi: chiuse e aperte. Le fonti di calore chiuse sono suddivise in:
- Orizzontale, mentre il collettore che raccoglie il calore si trova in anelli o zigzag in trincee con una profondità di 1,3 metri o più (sotto la profondità di congelamento). Questo metodo di posizionamento del circuito del collettore di calore è efficace per una piccola area terrestre.
Riscaldamento geotermico con collettore di calore orizzontale
- Verticale, ovvero il collettore del collettore di calore è posizionato in pozzi verticali immersi nel terreno ad una profondità di 200 m. Questo metodo di posizionamento del collettore viene utilizzato nei casi in cui non è possibile posare il contorno in orizzontale o esiste una minaccia di disturbo del paesaggio.
Riscaldamento geotermico con collettore di calore verticale
- Acqua, mentre il collettore del circuito si trova a zig-zag o in modo anulare nella parte inferiore del serbatoio, al di sotto del livello del suo congelamento. Rispetto ai pozzi di perforazione, questo metodo è il più economico, ma dipende dalla profondità e dal volume totale di acqua nel serbatoio, a seconda della regione..
Nelle pompe di calore di tipo aperto, l’acqua viene utilizzata per lo scambio di calore che, dopo essere passato attraverso la pompa di calore, viene scaricato nuovamente nel terreno. È possibile utilizzare questo metodo solo se l’acqua è chimicamente pura e se l’uso delle acque sotterranee in questo ruolo è consentito dal punto di vista della legge.
Tipo di riscaldamento geotermico aperto
Nei circuiti d’aria, rispettivamente, l’aria viene utilizzata come fonte di energia termica.
Riscaldamento tramite pompa di calore ad aria
Le fonti di calore secondarie (derivate) sono utilizzate, di regola, presso le imprese, il cui ciclo operativo è associato alla produzione di energia termica di terzi (parassita) che richiede un ulteriore utilizzo.
I primi modelli di pompe di calore erano completamente simili al design sopra descritto, inventato da Robert Webber – i tubi di rame del circuito, che fungevano contemporaneamente da esterno e interno, con il refrigerante che circolava in essi, erano immersi nel terreno. L’evaporatore in un tale progetto era posizionato sottoterra ad una profondità superiore alla profondità di congelamento o in pozzi angolati o verticali perforati con un angolo (da 40 a 60 mm di diametro) ad una profondità da 15 a 30 m. piccola area e quando si utilizzano tubi di piccolo diametro, fare a meno di uno scambiatore di calore intermedio. Lo scambio diretto non richiede il pompaggio forzato del liquido di raffreddamento, poiché non è necessaria una pompa di circolazione, quindi si consuma meno elettricità. Inoltre, una pompa di calore con un circuito di scambio diretto può essere efficacemente utilizzata anche a basse temperature: qualsiasi oggetto emette calore se la sua temperatura è superiore allo zero assoluto (-273,15 ° C) e il refrigerante può evaporare a temperature fino a -40 ° C. Svantaggi di questo circuito: grandi requisiti di refrigerante; alto costo dei tubi di rame; il collegamento affidabile delle sezioni di rame è possibile solo mediante saldatura, altrimenti non si può evitare la perdita di refrigerante; la necessità di protezione catodica nei suoli acidi.
L’estrazione del calore dall’aria è più adatta per i climi caldi, poiché a temperature inferiori allo zero la sua efficienza diminuirà notevolmente, il che richiederà ulteriori fonti di riscaldamento. Il vantaggio delle pompe di calore ad aria è che non sono necessarie costose trivellazioni di pozzi, poiché il circuito esterno con evaporatore e ventola si trova in un’area non lontana dalla casa. A proposito, qualsiasi sistema di climatizzazione monoblocco o split è un rappresentante di una pompa di calore ad aria a circuito singolo. Il costo di una pompa di calore ad aria con una capacità, ad esempio, di 24 kW è di circa 163.000 rubli.
Pompa di calore ad aria
L’energia termica dal serbatoio viene estratta ponendo un circuito fatto di tubi di plastica sul fondo di un fiume o di un lago. Posa in profondità da 2 metri, i tubi vengono premuti sul fondo con un carico al ritmo di 5 kg per metro di lunghezza. Circa 30 W di energia termica vengono estratti da ogni metro di funzionamento di un tale circuito, vale a dire, per una pompa di calore da 10 kW, sarà necessario un circuito con una lunghezza totale di 300 m. Gli svantaggi di un tale circuito sono costi relativamente bassi e facilità di installazione, svantaggi – in caso di forti gelate, è impossibile ottenere energia termica.
Posa del circuito della pompa di calore in un serbatoio
Per estrarre calore dal terreno, un anello per tubi in PVC viene inserito in una fossa, scavato a una profondità superiore alla profondità di congelamento di almeno mezzo metro. La distanza tra i tubi dovrebbe essere di circa 1,5 m, il liquido di raffreddamento che circola in essi è antigelo (di solito acqua salata). L’efficace funzionamento del contorno del suolo è direttamente correlato al contenuto di umidità del suolo nel punto del suo posizionamento – se il terreno è sabbioso, cioè non è in grado di trattenere l’acqua, la lunghezza del contorno deve essere approssimativamente raddoppiata. Una pompa di calore può estrarre in media da 30 a 60 W di energia termica da un metro di corsa del profilo del suolo, a seconda della zona climatica e del tipo di terreno. Una pompa di calore da 10 kW richiederà un circuito di 400 metri posato su un terreno di 400 m22. Il costo di una pompa di calore con un circuito di terra è di circa 500.000 rubli.
Posa del profilo orizzontale nel terreno
Il recupero del calore dalla roccia richiederà la posa di pozzi con un diametro da 168 a 324 mm a una profondità di 100 metri, oppure l’esecuzione di diversi pozzi di profondità inferiore. Un contorno è abbassato in ciascun pozzetto, costituito da due tubi di plastica collegati nel punto più basso da un tubo a forma di U in metallo che funge da peso. L’antigelo circola attraverso i tubi – solo una soluzione al 30% di alcol etilico, poiché in caso di perdite non danneggerà l’ambiente. Il pozzo con il contorno installato alla fine si riempirà di acque sotterranee, che forniranno calore al liquido di raffreddamento. Ogni metro di un tale pozzo fornirà circa 50 W di energia termica, ovvero per una pompa di calore da 10 kW, sarà necessario perforare 170 m di un pozzo. Per ottenere più energia termica, non è redditizio perforare un pozzo più profondo di 200 m – è meglio realizzare diversi pozzi più piccoli ad una distanza di 15-20 m tra di loro. Maggiore è il diametro del pozzo, minore è la necessità di perforazione, mentre allo stesso tempo si ottiene un maggiore apporto di energia termica – circa 600 W per metro lineare.
Installazione di una sonda geotermica
Rispetto ai contorni posizionati nel terreno o in un serbatoio, il contorno nel pozzo occupa un minimo di spazio sul sito, il pozzo stesso può essere realizzato in qualsiasi tipo di terreno, compresa la roccia. Il trasferimento di calore dal circuito del pozzo sarà stabile in qualsiasi momento dell’anno e con qualsiasi tempo. Tuttavia, il rimborso di una tale pompa di calore richiederà diversi decenni, poiché la sua installazione costerà al proprietario della casa più di un milione di rubli..
Alla fine
Il vantaggio delle pompe di calore è l’elevata efficienza, poiché queste unità non consumano più di 350 watt di elettricità all’ora per ottenere un chilowatt di energia termica all’ora. Per fare un confronto, l’efficienza delle centrali elettriche che generano elettricità bruciando carburante non supera il 50%. Il sistema a pompa di calore funziona in modalità automatica, i costi operativi durante il suo utilizzo sono estremamente bassi – per far funzionare il compressore e le pompe è necessaria solo elettricità. Le dimensioni complessive dell’installazione della pompa di calore sono approssimativamente uguali alle dimensioni di un frigorifero domestico, il livello di rumore durante il funzionamento coincide anche con lo stesso parametro di un’unità di refrigerazione domestica.
Pompa di calore “acqua salata”
Puoi utilizzare una pompa di calore sia per ottenere energia termica che per rimuoverla, commutando il funzionamento dei circuiti in raffreddamento, mentre l’energia termica dai locali della casa verrà rimossa attraverso il circuito esterno nel terreno, nell’acqua o nell’aria.
L’unico inconveniente di un sistema di riscaldamento basato su pompa di calore è il suo costo elevato. In Europa, così come negli Stati Uniti e in Giappone, le installazioni di pompe di calore sono abbastanza comuni – in Svezia ce ne sono più di mezzo milione e in Giappone e negli Stati Uniti (specialmente nello stato dell’Oregon) – diversi milioni. La popolarità delle pompe di calore in questi paesi è dovuta al loro sostegno da parte di programmi governativi sotto forma di sussidi e compensi per i proprietari di case che hanno installato tali impianti..
Non c’è dubbio che nel prossimo futuro le pompe di calore cesseranno di essere qualcosa di bizzarro anche in Russia, dato l’aumento annuale dei prezzi del gas naturale, che oggi è l’unico concorrente delle pompe di calore in termini di costi finanziari per ottenere energia termica..
Cosa succede esattamente quando prendiamo il calore dalla Terra per il riscaldamento utilizzando una pompa di calore? Come funziona il processo di estrazione del calore dalla Terra e quali sono i vantaggi di utilizzare questa tecnologia per il riscaldamento?