Per affrontare la sfida della decarbonizzazione, le pompe di calore svolgono un ruolo fondamentale grazie alla loro capacità di estrarre energia da fonti naturali —come aria, acqua o terra— riducendo significativamente le emissioni di CO₂. Ciò le rende una delle tecnologie più efficaci per costruire un futuro sostenibile ed efficiente dal punto di vista energetico. I continui progressi nella progettazione, nei refrigeranti e nelle prestazioni operative stanno ampliando la loro gamma di applicazioni, rafforzando ulteriormente la loro posizione di pietra angolare dei sistemi energetici a basse emissioni di carbonio.
Nel corso degli anni è stata sviluppata un'ampia gamma di refrigeranti, ciascuno caratterizzato da proprietà e impatti ambientali distinti. Le principali categorie disponibili sul mercato includono:
Idrofluorocarburi (HFC)
Esempi comuni: R-134a, R-410A
Questi sono ampiamente utilizzati ma hanno un potenziale di riscaldamento globale (GWP) relativamente elevato.
Idrofluoroolefine (HFO)
Esempi comuni: R-1234ze, R-1234yf
Noti per il loro basso GWP e il profilo ambientale migliorato.
Refrigeranti naturali
Esempi comuni: R-717 (Ammonia), R-290 (Propano), R-744 (Anidride carbonica)
Offrono eccellenti prestazioni termodinamiche e un impatto ambientale minimo, anche se possono rappresentare problemi di sicurezza o di maneggevolezza.
Frigoriferi miscelati
Esempi comuni: R-513A (R-1234yf + R-134a), R-454C (R-1234yf + R-32), R-515B (R-1234ze + R-227ea)
Progettato per bilanciare prestazioni, sicurezza e considerazioni ambientali.
La scelta del refrigerante dipende da diversi fattori, tra cui i requisiti applicativi, la progettazione del sistema, considerazioni sulla sicurezza e vincoli normativi. Ogni opzione presenta vantaggi e compromessi specifici. La tendenza del settore si sta spostando sempre più verso refrigeranti con basso GWP e zero potenziale di riduzione dell’ozono (ODP) per ridurre l’impatto ambientale e rispettare l’evoluzione degli standard di sostenibilità.
In genere, a causa delle proprietà chimiche e fisiche dei refrigeranti, ciascuno di essi è associato a specifici tipi di compressori. Questa combinazione si basa sia sulle caratteristiche tecniche dei compressori sia sui requisiti operativi dei refrigeranti. Di conseguenza, la scelta di un particolare refrigerante per una pompa di calore comporta inevitabilmente la selezione di un tipo di compressore compatibile.
Negli ultimi anni si è registrata una crescente attenzione nei confronti dei refrigeranti, soprattutto in relazione alle normative europee sui gas fluorurati (F-Gas). Di conseguenza, l'uso dei refrigeranti R-134a e R-410A è stato progressivamente ridotto. Pertanto, è necessario spostarsi verso alternative con un basso potenziale di riscaldamento globale (GWP), come R-32 e R-1234ze. Attualmente, la transizione del mercato verso refrigeranti naturali e a basso GWP sta accelerando in modo significativo.
In questo senso, il portafoglio di Daikin si adatta perfettamente all'evoluzione del mercato e alle esigenze attuali. Le pompe di calore Daikin che utilizzano refrigeranti a basso GWP sono già disponibili oggi.
Inoltre, Daikin ha annunciato di recente lo sviluppo di una nuova pompa di calore aria-acqua che utilizza il propano come refrigerante. Ciò dimostra la capacità di Daikin di offrire soluzioni innovative e sostenibili che siano pienamente in linea con le richieste del mercato.
Il potenziale di riscaldamento globale (GWP) è una metrica utilizzata per quantificare la quantità di calore che un gas serra intrappola nell'atmosfera in un orizzonte temporale specifico, in genere 20, 100 o 500 anni, rispetto all'anidride carbonica (CO₂), che ha un GWP di riferimento pari a 1. Questa misura standardizzata consente di confrontare l'impatto climatico di diversi gas.
I valori GWP per i refrigeranti sono definiti dal Gruppo intergovernativo sui cambiamenti climatici (IPCC), l’organismo delle Nazioni Unite responsabile della valutazione della scienza relativa ai cambiamenti climatici. L’IPCC pubblica rapporti di valutazione completi che riassumono le attuali conoscenze scientifiche, tecniche e socioeconomiche sui cambiamenti climatici.
Lo standard ASHRAE 34 assegna una designazione alfanumerica univoca a ciascun refrigerante, classificandolo in base alla sua tossicità e ai rischi di infiammabilità.
La lettera maiuscola indica la classe di tossicità, in base ai limiti di esposizione consentiti:
Classe A: minore tossicità
Classe B: maggiore tossicità
Il numero rappresenta la classe di infiammabilità:
Classe 1: Non infiammabile (non propaga una fiamma in condizioni di prova)
Classe 2: Bassa infiammabilità
Classe 3: Elevata infiammabilità (ad esempio idrocarburi come il propano)
Inoltre, ASHRAE ha introdotto una sottoclasse 2L all'interno della Classe 2 per identificare i refrigeranti che presentano una velocità di combustione molto bassa, offrendo una comprensione più approfondita dei rischi di infiammabilità.
Sebbene queste classificazioni forniscano un quadro di sicurezza standardizzato, è importante notare che condizioni ambientali estreme, combinate con la natura chimica del refrigerante, possono comunque portare ad un aumento dei rischi di tossicità o infiammabilità.
I refrigeranti utilizzati nelle pompe di calore devono possedere proprietà termodinamiche specifiche per garantire un trasferimento di calore efficiente e affidabile. Le caratteristiche più importanti includono:
Punto di ebollizione: un basso punto di ebollizione è essenziale per consentire al refrigerante di evaporare a basse temperature, facilitando il cambiamento di fase da liquido a gas durante l'assorbimento di calore.
Calore latente di vaporizzazione: un elevato calore latente consente al refrigerante di assorbire e rilasciare una quantità significativa di energia durante le transizioni di fase, migliorando l'efficienza complessiva del ciclo della pompa di calore.
Rapporto pressione–temperatura: un equilibrio ottimale tra pressione e temperatura garantisce che il refrigerante funzioni efficacemente entro i limiti di progettazione del sistema a pompa di calore, mantenendo prestazioni e sicurezza.
La tabella seguente presenta i principali parametri termodinamici di alcuni dei refrigeranti più utilizzati nel settore HVAC, fornendo una base per il confronto e la selezione in base alle esigenze applicative. Sebbene R-134a e R-410A siano stati storicamente utilizzati principalmente in applicazioni di pompe di calore, i progressi tecnologici e normativi in Europa hanno spostato l'attenzione principalmente su R-1234ze e R-32, e rispettivamente sulla tecnologia delle pompe di calore acqua-acqua e aria-acqua.
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R-1234ze |
R-32 |
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GWP |
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7 |
675 |
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Classification |
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A2L |
A2L |
|
Critical pressure |
bar |
36,4 |
58,2 |
|
Critical temperature |
°C |
109,4 |
78,4 |
|
Boiling point |
°C |
-19 |
-51,7 |
L'R-1234ze offre prestazioni migliori nella fase di scarico del compressore, rendendolo particolarmente adatto per applicazioni che richiedono elevate temperature di condensazione. Ad esempio, ad una temperatura di condensazione di +40 °C, R-1234ze funziona a soli 7,7 bar con una temperatura di scarico di 56,2 °C, rispetto a R-32, che richiede 24,8 bar e raggiunge una temperatura di scarico di 119,7 °C. Queste caratteristiche rendono R-1234ze ideale per sistemi che forniscono elevate temperature dell'acqua di alimentazione.
Tuttavia, l'R-1234ze ha un punto di ebollizione relativamente alto, pari a –19 °C, rispetto a –51,7 °C dell'R-32. Ciò ne limita l’efficacia nelle applicazioni delle pompe di calore aria-acqua nei climi più freddi.
Al contrario, il punto di ebollizione molto più basso dell'R-32’ lo rende più adatto alle pompe di calore aria-acqua, soprattutto in ambienti freddi. Consente un funzionamento efficiente anche a basse temperature ambiente e può fornire temperature dell'acqua di alimentazione fino a 60 °C. Mentre l'R-32 eccelle in queste condizioni, l'R-1234ze offre le migliori prestazioni nelle pompe di calore acqua-acqua, dove la fonte di calore —come l'acqua di falda o un circuito idrico chiuso— mantiene temperature stabili e positive. In questi contesti, la pressione più bassa e la temperatura critica più elevata dell'R-1234ze gli consentono di funzionare in modo efficiente.
In linea con le tendenze del mercato, Daikin offre diverse opzioni di refrigerante nella sua gamma di pompe di calore.
I limiti operativi di una pompa di calore sono influenzati non solo dalle proprietà del refrigerante, ma anche da diversi fattori a livello di sistema, quali il tipo di compressore, la progettazione del motore, l'olio lubrificante e la configurazione dello scambiatore di calore.
Per illustrare l'effetto combinato di queste variabili, possiamo fare riferimento a un involucro operativo generico per una pompa di calore aria-acqua. Questo involucro aiuta a definire i limiti pratici entro i quali il sistema può funzionare in modo affidabile ed efficiente, tenendo conto sia delle proprietà del refrigerante sia dei vincoli a livello di sistema.
Gli sforzi di sviluppo tecnologico di Daikin hanno consentito di ampliare la gamma di applicazioni delle pompe di calore, in particolare con le pompe di calore EWYE-CZ ed EWWH-VZ.
La pompa di calore aria-acqua EWYE-CZ è dotata dell'avanzata tecnologia del compressore Inverter Scroll di Daikin e utilizza il refrigerante ecologico R-454C. Questa combinazione garantisce sia elevata efficienza che sostenibilità. L'unità può produrre acqua calda fino a 70 °C, rendendola un'ottima soluzione per la decarbonizzazione del riscaldamento residenziale. Disponibile in otto dimensioni che vanno da 16 kW a 70 kW. L'intervallo operativo consente temperature di approvvigionamento idrico da 20 °C a 70 °C, anche in condizioni estreme come i rigidi inverni nordici o i periodi estivi che richiedono acqua calda sanitaria. Può funzionare a valori delta T elevati, consentendo l'erogazione di acqua calda a più applicazioni di riscaldamento all'interno del sistema, con temperature operative ambientali comprese tra –25 °C e 40 °C. Questa unità è dotata di quattro versioni compatte dotate di una o quattro ventole in linea, progettate per la massima efficienza spaziale e prestazioni. Una pompa dell'acqua Inverter integrata semplifica ulteriormente l'installazione e ottimizza l'utilizzo dello spazio. Nonostante la sua capacità, l'EWYE-CZ ha un ingombro minimo, il che lo rende ideale per progetti con spazi limitati, come edifici residenziali, hotel e ospedali. Una variante a basso rumore è disponibile anche per ambienti sensibili al rumore. Può garantire un riscaldamento affidabile e la produzione di acqua calda sanitaria, ed è dotato di una funzione di controllo anti-legionella per il serbatoio esterno. È dotato di uno o due circuiti refrigeranti indipendenti che utilizzano refrigerante R-454C, classificato come A2L secondo gli standard ISO 817 e ASHRAE 34. Grazie alla sua bassa tossicità e infiammabilità, R-454C non richiede ulteriori misure di sicurezza, rendendo questa gamma una delle soluzioni di decarbonizzazione più avanzate e complete sul mercato.
L'EWWH-VZ è una nuova opzione ad alta temperatura per la sua serie VZ, dotata del refrigerante R-1234ze per estendere la gamma operativa dei modelli esistenti. Questo aggiornamento consente all'unità di fornire acqua calda fino a 90 °C, ampliandone l'idoneità per diverse applicazioni e coprendo capacità da 10 a 2.400 kW.
La pompa di calore ad acqua Daikin EWWH-VZ coniuga un'efficienza energetica eccezionale con un basso impatto ambientale. Utilizzando R-1234ze, un refrigerante con un potenziale di riscaldamento globale (GWP) molto basso, fornisce capacità di raffreddamento e riscaldamento da 400 a 1900 kW*. Il suo design compatto e la tecnologia inverter completa garantiscono prestazioni e flessibilità ottimali per soddisfare diverse esigenze operative.
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L’introduzione di questa nuova opzione ad alta temperatura segna un passo significativo verso la decarbonizzazione del riscaldamento industriale. Ampliando l'ambito operativo, la serie EWWH-VZ si adatta a numerose applicazioni —tra cui processi industriali e reti di teleriscaldamento— che richiedono acqua calda ad alta temperatura. Questa caratteristica è particolarmente preziosa per usi industriali quali processi di pulizia, sterilizzazione e produzione che richiedono temperature dell'acqua elevate.