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- Il funzionamento delle pompe di calore e l’importanza del gas refrigerante utilizzato
- Tipologie di pompe di calore e relative applicazioni
- L’impatto ambientale dei gas refrigeranti
- Confronto tra i principali gas refrigeranti per pompe di calore
- Nippon Gases e le soluzioni refrigeranti a basso GWP
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Il funzionamento delle pompe di calore e l’importanza del gas refrigerante utilizzato
Le pompe di calore a compressione di vapore funzionano tramite un ciclo termodinamico chiuso in cui un fluido refrigerante trasferisce calore da una sorgente a temperatura più bassa a un ambiente a temperatura più alta. Il ciclo si compone di quattro fasi (evaporazione, compressione, condensazione ed espansione) in cui il refrigerante assorbe calore dalla sorgente esterna evaporando, viene compresso aumentando la sua temperatura, quindi condensa cedendo calore all’ambiente interno e infine si espande raffreddandosi per ripetere il ciclo.
Il fluido refrigerante è il cuore del sistema: le sue proprietà, infatti, determinano le pressioni di lavoro e l’efficienza del ciclo. Un refrigerante adeguato consente alla pompa di calore di funzionare in modo efficiente anche in condizioni climatiche difficili. Per questo la ricerca si è orientata verso fluidi sempre più performanti e al tempo stesso sostenibili, con un ridotto impatto ambientale.
Tipologie di pompe di calore e relative applicazioni
Esistono varie tipologie di pompe di calore a seconda della sorgente da cui estraggono calore e del mezzo attraverso cui lo cedono all’ambiente da climatizzare. Le tre categorie principali sono:
Pompe di calore aria-aria: prelevano calore dall’aria esterna e lo trasferiscono all’aria interna degli ambienti. Sono solitamente impiegate nei climatizzatori residenziali e commerciali (ad esempio nei sistemi split), con installazione semplice e costi relativamente contenuti. Tuttavia l’efficienza cala con basse temperature esterne.
Pompe di calore aria-acqua: estraggono calore dall’aria esterna e lo cedono a un circuito ad acqua (scaldando termosifoni, pannelli radianti o acqua sanitaria). Sono particolarmente diffuse nel riscaldamento domestico e terziario perché possono sostituire o integrare le caldaie, fornendo riscaldamento e acqua calda con la stessa unità (eventualmente anche raffrescamento estivo con fan-coil o pannelli radianti).
Pompe di calore acqua-acqua: utilizzano come sorgente il terreno o acque sotterranee/superficiali, cedendo calore a un circuito idronico interno. In questa categoria rientrano le pompe di calore geotermiche e quelle ad acqua di falda. Offrono in genere i COP più elevati, poiché la temperatura della sorgente resta stabile tutto l’anno. Trovano impiego dal residenziale all’industriale, specialmente nei climi rigidi dove è richiesta la massima efficienza anche in inverno.
L’impatto ambientale dei gas refrigeranti
L’utilizzo estensivo delle pompe di calore porta benefici ambientali solo se anche il refrigerante impiegato è sicuro e a basso impatto climatico.
In passato, molti refrigeranti sintetici hanno causato diversi problemi ambientali: i CFC e gli HCFC, per esempio, riducevano lo strato di ozono, mentre gli HFC successivi (R-134a, R-410A) – nonostante fossero privi di cloro – avevano un potenziale di riscaldamento globale (GWP) estremamente alto. In caso di perdite in atmosfera, il loro effetto serra diretto è elevatissimo.
Ad esempio, l’R-410A – ampiamente utilizzato negli ultimi due decenni – ha un GWP di 2088, ossia un impatto climalterante migliaia di volte superiore a quello della CO₂. Per questo la normativa europea sta progressivamente limitando l’uso dei gas fluorurati ad alto GWP. L’industria si sta già adeguando con alternative più ecologiche: il refrigerante R-32, ad esempio, con GWP 675 (circa un terzo di R-410A), è ormai diventato lo standard nei climatizzatori di nuova generazione.
Si stanno affermando nuove classi di refrigeranti a basso GWP: da un lato miscele HFO di ultima generazione, dall’altro refrigeranti naturali, entrambi caratterizzati da valori GWP molto ridotti (spesso <150 o prossimi allo zero) senza sacrificare le prestazioni. L’adozione di questi gas refrigeranti climate-friendly – spinta sia dalla crescente sensibilità verso l’ambiente che dalle sempre più stringenti normative– è fondamentale, quindi, per garantire alle pompe di calore un adeguato livello di sostenibilità.
Confronto tra i principali gas refrigeranti per pompe di calore
Nel settore della climatizzazione e delle pompe di calore sono attualmente impiegati o in fase di adozione diversi refrigeranti a basso GWP. Ognuno presenta caratteristiche specifiche in termini di prestazioni, sicurezza (classificazione di infiammabilità) e compatibilità con gli impianti:
• R-410A: HFC non infiammabile (A1) ad alto GWP (~2088). È stato lo standard per anni nelle pompe di calore grazie alle ottime prestazioni, ma il suo uso è in declino a causa dell’elevato impatto climatico e delle restrizioni normative.
• R-32: HFC leggermente infiammabile (A2L) con GWP 675. Ha prestazioni simili o migliori di R-410A ed è oggi molto diffuso nelle nuove pompe di calore residenziali, in linea con le normative europee.
• R-454B: miscela HFO/HFC A2L con GWP ~466, concepita per rimpiazzare R-410A. Offre efficienze pari o superiori a R-410A e, pur essendo moderatamente infiammabile, consente l’uso in sicurezza con cariche di refrigerante più elevate rispetto ai gas altamente infiammabili.
• R-454C: miscela HFO/HFC A2L a GWP ultra-basso (~146), nata per sostituire R-404A e R-22 nella refrigerazione commerciale. Soluzione long term solution anche nelle pompe di calore idroniche residenziali con capacità < 12 KW. • R-290 (Propano): refrigerante naturale altamente infiammabile (A3) con GWP quasi nullo (~3). Presenta eccellenti proprietà termodinamiche e alta efficienza energetica, ma l’infiammabilità ne limita la carica massima e l’utilizzo a impianti di piccola taglia o a condizioni di sicurezza specifiche. • R-1234ze: refrigerante HFO di ultima generazione a GWP ~1. Appartiene alla classe A2L ma non è infiammabile a temperatura ambiente, semplificandone l’uso in sicurezza. Sostituisce l’R-134a in molte applicazioni grazie a prestazioni simili e consumo energetico comparabile. Si usa in pompe di calore di grande potenza e chiller, offrendo una soluzione praticamente a impatto zero.
Nippon Gases e le soluzioni refrigeranti a basso GWP
I gas refrigeranti HFO a basso GWP come R-454B e R-454C possono aiutare ad aumentare l’efficienza del sistema, espandere la gamma di temperature operative e ridurre le emissioni diCO2 , fornendo al contempo notevoli miglioramenti in termini di sicurezza rispetto ai refrigeranti in classe A3.
Queste caratteristiche posizionano i refrigeranti a basso GWP come soluzioni ideali non solo per i nuovi edifici, ma anche per i progetti di ristrutturazione con la possibilità di sviluppare pompe di calore ad alta temperatura per la produzione di ACS. Questo è particolarmente importante in Europa, poiché la percentuale di ristrutturazioni edilizie rispetto alle nuove costruzioni è piuttosto alta.
Per le ristrutturazioni di edifici, le pompe di calore ad alta temperature (per i sistemi di riscaldamento esistenti con radiatori) sono essenziali per promuovere la sostituzione delle caldaie a combustibile fossile garantendo minori costi , alta efficienza energetica, ed eliminando allo stesso tempo la necessità di ulteriori riscaldatori elettrici o a combustibile fossile durante i mesi più freddi.
