Pompe di calore negli edifici pubblici. Schema, descrizione

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Il compito principale dei compressori negli edifici pubblici è il raffreddamento, necessario a causa delle condizioni climatiche o per rimuovere il calore dalle fonti interne di illuminazione, attrezzature e personale. Un carico di raffreddamento significativo è richiesto dai data center negli edifici di servizio. In questo caso, di norma, non si tiene conto del fatto che il gruppo frigorifero utilizzato è per sua natura una pompa di calore. Nonostante il calore rimosso dal condensatore dell'unità di refrigerazione abbia una temperatura relativamente bassa, il suo utilizzo vantaggioso consente un notevole risparmio energetico.

Il rapporto tra il calore sottratto dal condensatore e la potenza assorbita sia dal frigorifero che dalla pompa di calore è fortemente dipendente dalla differenza di temperatura di evaporazione e di condensazione. Questa dipendenza determina la temperatura economica dell'acqua a valle del condensatore della macchina frigorifera nei casi in cui il suo calore è utilmente utilizzato. Economicamente giustificato è il livello di temperatura di 41-42°C. In questo caso, la potenza assorbita dal compressore aumenta leggermente rispetto alla modalità di refrigerazione pura e allo stesso tempo diventa possibile non scaricare, ma utilizzare utilmente il calore di condensazione.

L'implementazione più nota di questo concetto è che il calore di una macchina frigorifera che raffredda l'aria nella parte centrale dell'edificio non viene emesso, ma viene utilizzato per riscaldare le stanze attorno al perimetro dell'edificio, in cui le perdite di calore sono aumentate a causa dei vetri delle finestre e delle porte.

Il calore dalla parte centrale dell'edificio viene trasferito all'evaporatore per mezzo di un sistema di raffreddamento ad acqua, quindi questa energia viene trasferita al condensatore con l'ausilio di un refrigerante e di un compressore. Il calore utile viene trasferito alla torre di raffreddamento ad aria attraverso un apposito condensatore utilizzando una rete di acqua riscaldata, parte del calore viene utilizzato per riscaldare l'acqua o per scopi tecnologici. In inverno, quando è richiesto sia il raffrescamento che il riscaldamento, una parte del condensatore viene utilizzata per il riscaldamento, il calore in eccesso viene scaricato nella torre di raffreddamento.

Tale schema di aria condizionata-riscaldamento è chiamato centralizzato, utilizzando un grande frigorifero (pompa di calore) e scambiatori di calore ambiente. Può essere utilizzato anche in modo decentralizzato - con singole pompe di calore in tutto l'edificio direttamente nelle aree di climatizzazione. In quest'ultimo caso, sono collegati a un sistema idrico centrale non raffreddato, in cui la temperatura viene mantenuta tra 15-32°C con l'ausilio di un ulteriore scaldabagno e di una torre di raffreddamento. Ogni unità di climatizzazione contiene un circuito completo di refrigerazione e pompa di calore con ventilatore per la circolazione dell'aria ambiente, collegato ad un impianto idrico. L'acqua funge da dissipatore di calore in modalità di refrigerazione e da fonte di calore in modalità di riscaldamento.

Il riscaldamento aggiuntivo è necessario solo in caso di clima molto freddo, quando la maggior parte delle unità è in modalità riscaldamento. Il calore viene fornito all'impianto idrico da un locale caldaia, un riscaldatore elettrico esterno, energia solare o una fonte di calore residuo. La richiesta di calore si riduce quando una o più unità devono funzionare in modalità refrigerazione. Con temperature esterne medie, le unità sul lato ombreggiato dell'edificio lavorano per il riscaldamento e quelle sul lato soleggiato per il raffrescamento. Se circa il 30% delle unità funziona in modalità di refrigerazione, fornisce abbastanza calore all'impianto idrico, il che elimina la necessità per l'edificio di ricevere o cedere calore.

Negli edifici con dissipazione interna del calore dovuta a illuminazione, computer, ecc. e un elevato livello di isolamento termico, può essere necessario il raffreddamento locale per tutto l'anno. Il calore generato qui viene trasferito al sistema idrico e successivamente agli impianti intorno alla periferia dell'edificio, che funzionano per il riscaldamento durante i mesi invernali.

I sistemi decentralizzati possono essere utilizzati anche in edifici che necessitano di raffrescamento diurno e riscaldamento notturno. Se durante il giorno la temperatura dell'acqua di rete sale alla temperatura massima consentita per il funzionamento dei dispositivi di refrigerazione, +32°C, allora il calore non viene scaricato alle torri evaporative e può essere utilizzato per il riscaldamento durante parte del ciclo di riscaldamento prima di attivare il riscaldamento aggiuntivo sotto qualsiasi forma, necessario quando la temperatura dell'acqua scende sotto i 15°C. Il climatizzatore si avvia al mattino quando l'acqua è fredda e permette un efficiente raffrescamento, e termina a fine giornata quando l'acqua è calda per un efficiente riscaldamento notturno.

Il massimo vantaggio si ottiene utilizzando una pompa di calore dove sono richiesti contemporaneamente riscaldamento e raffrescamento su larga scala, ad esempio in complessi sportivi con pista di pattinaggio artificiale e piscina.

In genere, le piscine pubbliche coperte sono grandi consumatori di energia, specialmente nei climi freddi. Il consumo energetico annuo delle piscine pubbliche coperte è di 14000 kWh/m3 di superficie d'acqua. La temperatura dell'acqua richiesta è di circa 30°C e la temperatura dell'aria è leggermente superiore. La velocità di ventilazione richiesta è compresa tra 4 e 20 volumi all'ora.

Gli scambiatori di calore rotanti possono essere utilizzati per utilizzare il calore dell'aria di scarico per riscaldare l'aria in ingresso in modo da risparmiare energia. L'uso di tali scambiatori di calore sta diventando comune nelle piscine, tuttavia recuperano solo una parte del calore contenuto nell'aria di scarico. Il suo contenuto di umidità è molto elevato e la maggior parte dei sistemi di recupero del calore convenzionali utilizza solo calore sensibile. Gli scambiatori di calore recuperativi sono in grado di condensare solo una parte dell'umidità e, inoltre, relativamente piccola. Il recupero del calore latente può essere notevolmente migliorato utilizzando le pompe di calore, in molti casi in combinazione con i tradizionali sistemi di recupero del calore.

Un tipico esempio di installazione di una pompa di calore per un complesso di piscine a Chester (Inghilterra). Le due piscine fanno parte di un grande centro sportivo coperto e consumano la maggior parte dell'energia fornita all'edificio con un carico termico di progetto di 2 MW. L'aria fresca entra nel complesso con una portata di 46 m3/s, di cui 21 m3/s vengono forniti alla sala della piscina. L'elevato tasso di ventilazione riduce al minimo la formazione di condensa nel corridoio e nelle stanze adiacenti e riduce anche l'odore del cloro utilizzato per scopi di sterilizzazione. Il carico termico totale di 2 MW consiste nel riscaldamento dell'acqua della piscina, dell'acqua calda per le docce e del riscaldamento dell'edificio di servizio adiacente. Circa 3/4 del consumo totale di calore va alla ventilazione, di cui la piscina consuma la metà.

In questo caso, il più economico è l'uso di un circuito chiuso con un refrigerante intermedio nei condotti di ventilazione insieme a un sistema a pompa di calore. L'aria di espulsione, passando per una parte del circuito chiuso, viene preraffreddata, cedendo una quota di calore latente, e poi raffreddata di 4°C nell'evaporatore della pompa di calore. L'aria fresca viene prima riscaldata dalla seconda metà del circuito chiuso e quindi riscaldata nuovamente nel condensatore della pompa di calore. Nel bilancio termico complessivo, il circuito chiuso restituisce circa 400 kW e la pompa di calore poco più di 1 MW, lasciando una parte relativamente piccola del carico termico da coprire con fonti convenzionali.

L'utilizzo di una pompa di calore nelle piscine non è limitato ai sistemi aria-aria. Sulzer, con una vasta esperienza nell'uso delle pompe di calore nelle piscine, combina una gamma di pompe di calore, ognuna con il proprio scopo. Un tipico esempio è lo stabilimento di Lindenberg. La piscina coperta con una superficie d'acqua di 315,5 m2 ha una temperatura dell'aria di 30-32°C e una temperatura dell'acqua inferiore di 2°C.

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