Introduzione
Le pompe di calore si stanno rapidamente diffondendo come mezzo efficace per prevenire il riscaldamento globale e promuovere la neutralità carbonica, in quanto dispositivi di riscaldamento in grado di sostituire gli impianti a combustione di combustibili fossili. L'efficienza delle pompe di calore è stata migliorata, ma l'aumento dell'efficienza è rallentato. Come misura per migliorare ulteriormente l'efficienza delle pompe di calore, l'utilizzo di sistemi efficienti di trasferimento e accumulo di calore, oltre a migliorare l'efficienza dell'apparecchiatura stessa, può fornire raffreddamento e riscaldamento efficienti, insieme alla produzione di acqua calda quando necessario e con la quantità desiderata.
Vantaggi dell'accumulo di calore
L'accumulo di calore è l'accumulo di energia termica e il terreno e le superfici idriche possono essere considerati materiali di accumulo di calore ad alta capacità, poiché immagazzinano energia solare e atmosferica. L'accumulo di calore offre numerosi vantaggi, tra cui:
È possibile ridurre la capacità dell'apparecchiatura che fornisce calore ed è possibile compensare lo squilibrio temporale dell'utilizzo del calore, grazie all'utilizzo di una grande quantità di calore, che viene immagazzinata con una piccola capacità, nel momento di massima richiesta.
È possibile livellare il consumo di elettricità tra la notte e il giorno, grazie all'accumulo di calore mediante l'utilizzo dell'elettricità di notte, quando il consumo di elettricità è basso, e all'utilizzo del calore durante il funzionamento diurno per ridurre il consumo di elettricità.
Il funzionamento efficiente può essere ottenuto sfruttando la differenza di temperatura tra il giorno e la notte e accumulando calore. Ad esempio, in estate, di notte, quando la temperatura è più bassa rispetto al giorno, il calore del ghiaccio viene immagazzinato in modo efficiente, per poi essere utilizzato per il raffrescamento durante il giorno, abbassando la temperatura di condensazione e garantendo un funzionamento efficiente.
Il comfort può essere migliorato grazie all'installazione di un accumulatore di calore nell'unità esterna della pompa di calore. Ad esempio, il calore può essere utilizzato per evitare che la temperatura ambiente scenda durante il riscaldamento a causa delle operazioni di sbrinamento e per emettere rapidamente aria calda all'avvio del riscaldamento.
L'utilizzo di energie rinnovabili come quella solare, geotermica e del calore di scarto delle fabbriche sta diventando più semplice grazie all'impiego dell'accumulo di calore.
Tipi di accumulo di calore
Esistono vari metodi per accumulare calore.
L'accumulo di calore sensibile è un metodo che immagazzina energia termica sfruttando le variazioni di temperatura in liquidi come l'acqua e solidi come mattoni e calcestruzzo, ed è ampiamente utilizzato. Ad esempio, il metodo di accumulo di calore sensibile con acqua viene utilizzato nelle pompe di calore aria-acqua (ATW) per il riscaldamento dell'acqua e degli ambienti. Prendendo come esempio gli edifici in calcestruzzo, i loro soffitti, pavimenti, pareti, ecc. vengono utilizzati come materiali di accumulo termico. Poiché l'accumulo di calore sensibile ha una densità di accumulo termico relativamente bassa, la quantità di calore accumulata viene aumentata aumentando la differenza di temperatura del materiale di accumulo.
L'accumulo di calore a cambiamento di fase, o accumulo di calore latente, è un metodo per immagazzinare calore tramite l'energia termica dissipata o assorbita quando una sostanza si trasforma in solido o liquido, e presenta una densità di accumulo di calore superiore rispetto all'accumulo di calore sensibile. Un esempio dell'utilizzo dell'accumulo di calore a cambiamento di fase sono i sistemi di condizionamento dell'aria ad accumulo termico che sfruttano il calore latente generato dal cambiamento di fase di acqua e ghiaccio. Un altro esempio sono le apparecchiature di riscaldamento che utilizzano la paraffina, con un'elevata quantità di calore latente, come materiale di accumulo termico per migliorarne le prestazioni. Inoltre, i polimeri funzionali ad accumulo di calore a cambiamento di fase, resine con proprietà di accumulo termico, vengono utilizzati come materiali isolanti per il riscaldamento a pavimento nelle abitazioni.
L'accumulo di calore chimico è un metodo per immagazzinare e dissipare il calore generato da una reazione chimica che si innesca quando il mezzo di reazione e il materiale di accumulo del calore entrano in contatto tra loro. Se il mezzo di reazione e il materiale di accumulo del calore vengono separati, lo stato di accumulo del calore può essere mantenuto per un lungo periodo di tempo. Tuttavia, poiché la temperatura di reazione per generare calore è superiore a 200 °C, sono in corso attività di ricerca e sviluppo (R&S), come l'utilizzo del calore di scarto delle fabbriche ad alte temperature.
Sistemi che utilizzano l'accumulo di calore
I sistemi che utilizzano l'accumulo di calore sono disponibili in varie forme e con diverse modalità, come le pompe di calore ATW per il riscaldamento dell'acqua e degli ambienti, i sistemi di accumulo termico a ghiaccio e i sistemi di climatizzazione ad accumulo termico per strutture edilizie. È in corso anche lo sviluppo di sistemi di utilizzo dell'accumulo di calore combinati con l'energia solare, geotermica, dei gas di scarico industriali, ecc., e sono stati segnalati molti nuovi sistemi di accumulo di calore.
Problemi di accumulo di calore
L'accumulo di calore offre numerosi vantaggi, ma presenta anche delle sfide. La prima è la dispersione di calore. La seconda è la differenza di temperatura di scambio termico tra i periodi di accumulo e la rimozione del calore, che è necessaria ma comporta una riduzione dell'efficienza. La terza è la necessità di attrezzature, spazi, ecc. per l'accumulo di calore, come serbatoi e piscine. È importante affrontare queste sfide per rendere l'accumulo di calore più facile da usare ed efficace.
Ad esempio, per ridurre la perdita di calore, menzionata come primo problema, è importante isolare il serbatoio di accumulo termico. Pertanto, sono stati sviluppati diversi materiali isolanti termici come lana di roccia, lana di vetro, schiuma di polietilene, schiuma di uretano e isolamento sottovuoto. Questi materiali isolanti devono possedere resistenza al calore, resistenza all'umidità, durevolezza, ecc., oltre alle prestazioni di isolamento termico. Tra questi, l'isolamento sottovuoto è considerato un materiale isolante ideale e viene utilizzato per serbatoi di acqua calda, serbatoi di accumulo termico e abitazioni, poiché viene prodotto in modo più sottile e il suo costo è in calo. Anche l'isolamento termico di case ed edifici è un aspetto importante, correlato al carico termico dell'aria condizionata.
Conclusione
La società moderna consuma una grande quantità di energia e la conseguente grande quantità di calore di scarto sta causando il riscaldamento globale. Come contromisura, è essenziale sviluppare un sistema che utilizzi l'energia termica di scarto generata, migliorando al contempo l'efficienza energetica e riducendo i consumi. Le pompe di calore e l'accumulo di calore sono tecnologie che realizzano questi obiettivi e sono attese ulteriori attività di ricerca e sviluppo.
Importanti temi di sviluppo sono il rapido trasferimento del calore durante l'accumulo in un contenitore e la sua dissipazione con minori perdite, nonché una maggiore densità termica dell'accumulo. Se si riuscisse a realizzare un sistema di accumulo termico compatto, di grande capacità ed economico, le sue applicazioni si espanderebbero notevolmente. Se si realizzassero pompe di calore che utilizzano tali sistemi di accumulo termico migliorati, si potrebbero creare nuovi sistemi, proprio come è successo con veicoli elettrici e droni che utilizzano batterie ad alta densità.
Data di pubblicazione: 28 giugno 2023
