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17/01/2011

Come fanno le GAHP ad avere rendimenti maggiori del 100%

Il rendimento è frutto della somma di due contributi energetici, uno dovuto alla combustione, l'altro all'apporto delle energie rinnovabili.

Come fanno le GAHP ad avere rendimenti maggiori del 100%
Nulla si crea, nulla si distrugge, tutto si trasforma...
Così diceva il chimico francese Lavoisier, padre della chimica moderna, in merito al fatto che in natura non si possa creare nulla se non trasformando in qualche modo qualcosa che già c’è. Ovvio che se non siamo a conoscenza di ciò che c’era prima l’ipotesi iniziale è che il risultato sia comparso dal nulla. Ci vengono in mente gli esperimenti del chimico fiammingo Jean Baptiste van Helmont che cercava di riprodurre la vita (topi, nella fattispecie) usando delle camicie sporche, senza sapere che la proliferazione che osservava proveniva da batteri e altri microrganismi già naturalmente presenti sulle camicie, ma a lui non osservabili.

Questa premessa per arrivare allo scopo dell’articolo: come è possibile che, apparentemente violando il secondo principio della termodinamica, le pompe di calore a gas possano avere efficienze superiori al 100%, anche se calcolate sul potere calorifico superiore?

Importante quest’ultima precisazione, perché in tanti Paesi, e l’Italia tra questi, i rendimenti vengono riferiti al potere calorifico inferiore, trascurando quindi una parte dell’energia che il combustibile comunque possiede e che è possibile recuperare (ad esempio con la condensazione dei fumi della combustione). In altri Paesi, uno fra tutti gli Stati Uniti, i rendimenti sono calcolati sul potere calorifero superiore, in modo da spingere i produttori di apparecchiature di riscaldamento e/o climatizzazione a sfruttare ove possibile tutto il contenuto energetico del combustibile, a pena di un rendimento sensibilmente inferiore rispetto ai prodotti concorrenti.

Questo cosa significa? Significa che le caldaie a condensazione, che si fregiano di rendimenti superiori al 100% nel nostro Paese, lo possono fare solo perché tale rendimento è calcolato sul potere calorifero inferiore, mentre se fosse calcolato (come in USA) su quello superiore, sarebbero tutte, per motivi termodinamici, al disotto o prossimi al 100%. Non c’è quindi progresso tecnologico o ricerca in grado di spingere una qualunque caldaia oltre questo limite: la fisica si oppone.

La pompa di calore a gas è l’unico apparecchio termodinamico a fiamma diretta in grado di ottenere rendimenti termodinamici maggiori del 100% anche qualora fossero calcolati sul potere calorifero superiore.

Come è possibile ottenere questa “violazione” del secondo principio della termodinamica senza incorrere nelle ire della fisica?

Molto semplicemente, questo risultato è frutto della somma di due contributi energetici, di cui però solo uno è dovuto alla combustione (e quindi è costretto a rispettare il secondo principio).

Infatti la pompa di calore a gas ha al suo interno un normalissimo bruciatore (studiato ad hoc per questa tipologia di apparecchio, ma pur sempre un bruciatore), simile nel principio a quello di una caldaia tradizionale (con o senza condensazione, a seconda del modello di pompa di calore), il cui rendimento è assolutamente equivalente a quello delle caldaie di pari categoria. Ma, a differenza di queste, il bruciatore agisce non direttamente sul fluido secondario (l’acqua dell’impianto) ma su un fluido refrigerante (una sapiente miscela di normalissima acqua e normalissima ammoniaca) il cui ciclo termodinamico è concepito in modo da farsi riscaldare a spese del calore di una sorgente naturale di energia, sia essa il calore dell’aria o dell’acqua di superficie o di un fluido riscaldato dal calore della terra.

I due rendimenti vanno sommati, perché a fronte di un singolo input termico (la combustione del gas) ottengo due effetti utili (il riscaldamento tramite combustione e il riscaldamento tramite sfruttamento della fonte rinnovabile).

Se pensiamo che l’ammoniaca evapora a –33°C, possiamo capire come anche poco al di sopra di quella temperatura la miscela sia in grado di recuperare calore (poco se la sorgente è molto fredda, tanto se è più calda) da qualunque sorgente a temperatura maggiore (aria, acqua, suolo). Nel caso dell’acqua o del fluido geotermico le temperature sono più alte e quindi il rendimento complessivo è ancora più elevato.

Quindi, nel caso di una pompa di calore a gas a condensazione, posto al 100% l’input termico dovuto al bruciatore, andiamo a sommare il contributo della fonte rinnovabile, variabile in funzione della tipologia di fonte rinnovabile utilizzata, della sua temperatura e della temperatura di mandata all'impianto.

Per fare un esempio, nel caso delle unità ad aria (GAHP-A LT) l’incidenza percentuale dello sfruttamento della sorgente rinnovabile con aria esterna a 7°C e acqua in mandata all'impianto a 35°C è pari al 65% (sul potere calorifero inferiore), da cui un rendimento complessivo del 165% in quelle condizioni di esercizio, pari a un contributo del 39,4% di energia rinnovabile (aerotermica, in questo caso).

Il contributo di energia aerotermica è calcolato come rapporto tra l’energia rinnovabile recuperata (65% nel nostro caso) e il totale di energia fornita dalla macchina all'impianto (165% nel nostro caso). Quindi con un input termico di 25,2 kW otteniamo 41,6 kW (25,2×165%) disponibili per l’impianto recuperando 16,4 kW (25,2×65% facendo riferimento all'input termico oppure 41,6×39,4% che è lo stesso ma facendo riferimento alla potenza disponibile all'impianto) dall'aria esterna.

Quindi, senza farsi confondere le idee dai numeri: il rendimento, sempre superiore al 100% per le pompe di calore a gas, esprime la quantità di energia effettivamente disponibile all'impianto a fronte di un input termico posto per convenzione al 100%, mentre la percentuale di energia rinnovabile recuperata si riferisce al rapporto tra la potenza dovuta alla sola sorgente rinnovabile e la potenza complessiva disponibile all'impianto.

Quindi senza alterare nessuna legge di natura, ma anzi sfruttando le leggi della natura e ciò che la natura ci mette a disposizione senza alcun costo, possiamo ottenere rendimenti sempre superiori al 100%, irraggiungibili da qualunque caldaia per quanto di nuova e rivoluzionaria progettazione.

Le pompe di calore a gas sono quindi la naturale e necessaria evoluzione delle tradizionali caldaie, con o senza condensazione, nell'ottica di una maggiore efficienza degli impianti e di una maggiore tutela dell’ambiente…insomma, le caldaie di domani!

 

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