L’energia aerotermica

Le energie rinnovabili

Per “energie rinnovabili” intendiamo quelle forme di energia generate da fonti che per loro caratteristica intrinseca si rigenerano o non sono “esauribili” nella scala dei tempi “umani” e, per estensione, il cui utilizzo non pregiudica le risorse naturali per le generazioni future.

La Direttiva europea 2009/28/CE (conosciuta anche come direttiva RES – Renewable Energy Sources) relativa all’uso dell’energia da fonti rinnovabili riconosce come tali (art. 2 – definizioni) l’energia eolica, solare, aerotermica, geotermica, idrotermica e oceanica, idraulica, biomassa, gas di discarica, gas residuati dai processi di depurazione e biogas.

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L'energia aerotermica

L’energia aerotermica può essere sinteticamente indicata come il calore presente nell’aria esterna, anche se questa apparentemente è a bassa temperatura per il nostro clima. In realtà anche a temperature inferiori allo zero, l’aria ha ancora un contenuto termico che può essere vantaggiosamente utilizzato se questa viene fatta passare all’esterno di uno scambiatore al cui interno circola un fluido a temperature ancora più basse.
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Approfondimento sull’energia aerotermica

L’aria ha un contenuto energetico sfruttabile anche a temperature molto basse, a patto di possedere lo strumento idoneo a sfruttare questo calore. Da questa idea nasce il concetto di energia aerotermica, ovvero energia rinnovabile accumulata nell’aria ambiente sottoforma di calore a bassa entalpia. Ricordiamo che l’entalpia (fonte Wikipedia) è la quantità di energia che un sistema termodinamico può scambiare con l’ambiente. A differenza dei fluidi ad alta temperatura e/o ad alta pressione, quali ad esempio il vapore delle centrali termoelettriche, la quantità di energia contenuta nell’aria ambiente è molto modesta, e pertanto viene definita sistema a bassa entalpia, cioè con ridotta quantità di calore sfruttabile in processi termodinamici.

La parte principale di questo calore viene depositato nell’aria dalle radiazioni solari nel momento in cui queste attraversano l’atmosfera. La temperatura media dell’aria è fortemente variabile nel corso dell’anno e varia inoltre a seconda della località considerata, in quanto influenzabile da fattori quali l’esposizione solare, la presenza di venti più o meno intensi e altri fattori climatici analoghi. La tecnologia delle pompe di calore tuttavia ha permesso di sfruttare anche questo calore, realizzando unità che possono estrarlo dall’aria per trasferirlo negli ambienti riscaldati anche con una temperatura esterna di –20°C, con efficienze ampiamente superiori al 100%, come le pompe di calore ad assorbimento a gas metano.
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Le pompe di calore ad aria

Le pompe di calore ad aria permettono di estrarre il calore a bassa entalpia presente nell’aria ambiente e trasferirlo ad un fluido termovettore al servizio degli ambienti climatizzati. Spesso questo processo può essere invertito per realizzare alternativamente il riscaldamento invernale o il condizionamento estivo con le medesime apparecchiature. Il funzionamento si basa sulla presenza nella pompa di calore di un fluido frigorifero che evapora per effetto del calore dell’aria esterna, per poi essere condensato cedendo calore al fluido termovettore. Il limite inferiore di temperatura a cui questo processo può avvenire è funzione del fluido refrigerante stesso. Tipicamente i fluidi refrigeranti a base HFC (idrofluorocarburi) impiegati dalla quasi totalità delle pompe di calore elettriche, presentano sensibili cadute di prestazioni per temperature dell’aria esterna sotto 0°C, per arrivare all’impossibilità di funzionamento a temperature indicativamente sotto i –10°C. Altri fluidi refrigeranti, tipicamente quelli utilizzati nelle macchine ad assorbimento a gas metano (che utilizzano come fluido refrigerante l’ammoniaca), permettono di garantire un buon funzionamento fino a –20°C, potendo funzionare a temperature ancora più basse con lievi penalizzazioni dei rendimenti.

Per funzionare correttamente queste apparecchiature necessitano di ricambi continui e costanti di aria esterna pulita. È quindi necessario individuare l’opportuna collocazione, che il più delle volte per semplicità ed economia viene individuata sulla copertura degli edifici da servire, risparmiando anche spazio all’interno che può essere impiegato meglio al servizio della struttura.

Da valutare opportunamente anche l’aspetto della rumorosità di funzionamento, in quanto i ventilatori che garantiscono la movimentazione della massa d’aria necessaria possono, specialmente in presenza di collocazioni acusticamente sfavorevoli, portare a un disagio per gli utenti.

L’utilizzo dell’aria esterna come fonte di calore può generare nel funzionamento delle pompe di calore in particolari condizioni termo-igrometriche dell’aria il brinamento della batteria esterna attraversata appunto dall’aria esterna. Tale fenomeno è dovuto al ghiacciamento del vapore d’acqua contenuto nell’aria che, in prossimità del punto di congelamento (pochi grazie sopra lo zero temico) a causa del fatto che all’interno della batteria circola un fluido a temperatura negativa. Il brinamento della batteria provoca una progressiva ostruzione del passaggio dell’aria e di conseguenza una riduzione dell’efficienza della pompa di calore. Nelle apparecchiature elettriche questo fenomeno viene risolto invertendo per un certo periodo di tempo il funzionamento della pompa di calore, utilizza cioè il calore del locale riscaldato per “sciogliere” la brina sulla batteria. Durante questo fase, le pompe di calore elettriche solitamente compensano questa mancanza di energia termica per i locali attivando una resistenza termica. Le pompe di calore ad assorbimento invece, grazie al loro particolare ciclo termodinamico, avviano il “defrosting” in automatico, utilizzando una parte dell’energia termica del condensatore per sbinare la batteria, ma lasciando ancora circa il 50 % di potenza termica per il riscaldamento del locale. Tale condizione consente quindi di mantenere un riscaldamento dei locali durante il defrosting, senza aumentare i consumi di energia.
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