Pompa di calore a propano ecologica ed efficiente

4 settembre 2018

dalla Società Fraunhofer

Le pompe di calore utilizzano l’energia ambientale per fornirci calore. Tuttavia, generalmente richiedono refrigeranti sintetici, che contengono gas fluorurati ad effetto serra dannosi per l’ambiente (gas F). I ricercatori del Fraunhofer hanno ora contribuito allo sviluppo di una pompa di calore che utilizza invece il propano. La pompa è più rispettosa del clima e più efficiente.

"Il riscaldamento e l'acqua calda rappresentano circa il 40% del consumo energetico finale della Germania. Bruciare combustibili fossili di alta qualità come gas naturale o petrolio greggio non solo ha poco senso dal punto di vista energetico, ma danneggia anche il clima. Ogni unità di energia elettrica necessaria per il funzionamento una pompa di calore, spesso derivata da risorse rinnovabili, genera da tre a cinque unità di energia termica senza emissioni di CO2. Ciò rende le pompe di calore un elemento importante nell'attuazione della transizione della Germania verso un sistema energetico sostenibile", afferma il dottor Marek Miara, che coordina il lavoro su pompe di calore presso l'Istituto Fraunhofer per i sistemi ad energia solare ISE di Friburgo.

Una pompa di calore funziona in modo simile a un frigorifero. Il refrigerante assorbe il calore all'interno del frigorifero e lo trasporta all'esterno. La differenza è che il calore lasciato fuoriuscire liberamente dal retro di un frigorifero è ciò che una pompa di calore estrae – in questo caso dal suolo, dalle falde acquifere o dall’aria ambiente – per riscaldare le nostre case o l’acqua.

Per raggiungere questo obiettivo, il refrigerante riscaldato e vaporizzato viene compresso, aumentandone la temperatura e la pressione. Il gas refrigerante caldo rilascia il suo calore nell'acqua e si condensa. L'acqua calda scorre nei sistemi di riscaldamento a pavimento, nei radiatori o nei serbatoi di accumulo dell'acqua calda, mentre il refrigerante liquido, ora freddo, rifluisce in un cosiddetto evaporatore, dove assorbe nuovamente energia termica. Il ciclo poi ricomincia dall'inizio.

Nella maggior parte dei casi, i refrigeranti sono composti da una miscela di sostanze sintetiche contenenti gas fluorurati ad effetto serra (gas F) dannosi per l'ambiente. Nel giugno 2014 la Commissione Europea ha annunciato che i gas fluorurati saranno gradualmente eliminati dal mercato. Un’alternativa naturale ed ecologica ai refrigeranti sintetici è il propano, che sta già guadagnando popolarità nei sistemi di condizionamento e refrigerazione. Ma il suo utilizzo nelle pompe di calore è ancora relativamente nuovo.

Perché anche se il propano ha eccellenti proprietà termodinamiche, è altamente infiammabile e questo rappresenta una sfida se utilizzato in un ciclo termico.

"Se si desidera utilizzare il propano, è necessario mantenere il volume del refrigerante il più basso possibile per ridurre al minimo i rischi", afferma la dott.ssa Lena Schnabel, che dirige il dipartimento per le tecnologie di riscaldamento e raffreddamento presso Fraunhofer ISE.

La soluzione dei ricercatori ISE, insieme ai loro partner di ricerca europei, è quella di impiegare scambiatori di calore alettati, brasati e altamente compatti che funzionano bene con piccoli volumi di liquido. L'energia termica viene trasferita da una sostanza fluente all'altra tramite scambiatori di calore. Questi sono composti da numerosi canali paralleli contenenti il ​​refrigerante circolante, che assorbono calore (detti "vaporizzatori") o lo irradiano ("condensatori"). "Il liquido deve vaporizzarsi o ricondensarsi completamente per tutta la lunghezza del percorso. Per garantire un funzionamento efficiente, il rapporto vapore-liquido deve essere identico in tutti i canali. In genere non è facile da ottenere e diventa particolarmente complicato se si è anche cercando di limitare il volume del refrigerante."

Per risolvere il problema, Schnabel e il suo team hanno sviluppato un distributore con struttura bionica: "I distributori Venturi convenzionali sembrano una pila di spaghetti composta da tanti tubi sottili che si uniscono nel punto in cui incontrano il vaporizzatore. Il nostro distributore è diverso: ha una ramificazione continua struttura come i rami e i ramoscelli di un albero, che garantiscono una distribuzione uniforme del refrigerante nei singoli canali dell'evaporatore, anche con un piccolo volume di refrigerante." Questa struttura consente un utilizzo ottimale dell'intera superficie dello scambiatore di calore, migliorandone l'efficienza.