Autore: reparto tecnico Mycond
L'integrazione dei deumidificatori con i sistemi di riscaldamento e le pompe di calore è diventata una direzione importante per aumentare l'efficienza energetica degli impianti. L'adozione di approcci corretti al recupero del calore di scarto consente di ridurre significativamente i costi operativi e di aumentare il rendimento complessivo del sistema. Questo articolo esamina gli aspetti tecnici di tale integrazione, i bilanci energetici e le soluzioni pratiche per vari tipi di impianti.
Bilancio termico di un deumidificatore a ciclo frigorifero: fonte di calore di scarto
I deumidificatori a ciclo frigorifero operano secondo un ciclo termodinamico che prevede il raffreddamento dell'aria sull'evaporatore al di sotto del punto di rugiada, la condensazione dell'umidità e il successivo riscaldamento dell'aria sul condensatore. È proprio questo processo a creare il potenziale per il recupero del calore.
Il bilancio energetico del condensatore di un deumidificatore è composto da tre componenti chiave:
1. Calore latente di condensazione dell'umidità - è l'energia rilasciata durante la condensazione del vapore acqueo sull'evaporatore freddo. Si calcola come la portata di deumidificazione (kg/h) moltiplicata per il calore latente di vaporizzazione/condensazione (kJ/kg), che dipende dalla temperatura di condensazione e di solito è pari a 2300-2500 kJ/kg. Questo valore non è una costante e deve essere ricavato dalle tabelle del vapore acqueo per la specifica temperatura operativa.
2. Lavoro del compressore - potenza elettrica assorbita dal compressore e convertita in energia termica. Questo dato è riportato nelle specifiche tecniche del deumidificatore o si calcola nella progettazione del ciclo frigorifero.
3. Calore sensibile dell'aria - energia termica aggiuntiva associata al riscaldamento dell'aria che attraversa il deumidificatore. La sua entità dipende dalla costruzione del deumidificatore e dal regime di funzionamento.
Nel diagramma h-d il processo psicrometrico in un deumidificatore a ciclo frigorifero si può descrivere come: raffreddamento dell'aria a una temperatura inferiore al punto di rugiada (riduzione dell'entalpia e del contenuto di umidità), condensazione dell'umidità sull'evaporatore (ulteriore riduzione del contenuto di umidità), riscaldamento dell'aria deumidificata sul condensatore (aumento dell'entalpia a contenuto di umidità costante).
Fondamenti teorici del recupero del calore: potenziale del condensatore e livelli di temperatura
L'efficacia del recupero del calore da un deumidificatore dipende in larga misura dai livelli di temperatura. È importante comprendere la differenza tra la temperatura di condensazione del refrigerante e la temperatura del fluido termovettore. La temperatura di condensazione del refrigerante dipende dalla temperatura del mezzo di raffreddamento (aria o acqua al condensatore) più il salto termico necessario allo scambio.
Per un condensatore ad aria in un locale a 25°C, la temperatura di condensazione può essere di 35-45°C. Per un condensatore ad acqua con acqua a 30°C - circa 40-50°C. Questi valori non sono costanti universali, ma il risultato del calcolo per specifiche condizioni di progetto.
Il COP (Coefficient of Performance) per un deumidificatore ha due definizioni:
- COP termico - rapporto tra la potenza termica al condensatore e la potenza elettrica del compressore. Indica quanta energia termica si ottiene per unità di energia elettrica consumata.
- COP frigorifero - rapporto tra la potenza frigorifera dell'evaporatore e la potenza elettrica del compressore.
È importante notare che per i deumidificatori nei cataloghi tecnici si indica spesso il valore SMER (Specific Moisture Extraction Rate) in l/kWh o kg/kWh, che differisce dal COP e caratterizza l'efficienza energetica del processo di deumidificazione in quanto tale.
Per il calcolo del potenziale termico del deumidificatore in questo articolo si usa un approccio semplificato: la potenza termica del condensatore è definita come somma del calore latente di condensazione dell'umidità e del lavoro del compressore, con il lavoro del compressore ricavato dai dati tecnici dell'apparecchiatura.
Confrontando un deumidificatore con una pompa di calore aria-acqua, si può notare che il deumidificatore utilizza aria interna a 20-25°C, mentre la pompa di calore preleva calore dall'aria esterna, la cui temperatura in inverno può essere da -10°C a +10°C. Ciò assicura al deumidificatore condizioni operative dell'evaporatore più stabili.
Il potenziale di recupero del calore dipende dalla differenza di temperatura, dal tipo di scambiatore e dal regime di funzionamento. Con un corretto dimensionamento dello scambiatore e l'adeguamento dei livelli di temperatura è possibile convogliare la maggior parte del calore del condensatore verso un carico utile; l'entità concreta dipende dai parametri del sistema.
Schemi di integrazione: tre approcci di base
Esistono tre schemi principali di integrazione dei deumidificatori con i sistemi di riscaldamento e di acqua calda sanitaria:
1. Schema con scambiatore di calore ad acqua dedicato. Prevede l'installazione di uno scambiatore a piastre o a fascio tubiero sul lato condensatore. Lato caldo: refrigerante o aria dopo il condensatore (a seconda della costruzione del deumidificatore), lato freddo: acqua dell'impianto di riscaldamento o dell'acqua calda sanitaria. Il collegamento idraulico si effettua al ritorno del riscaldamento o al circuito ACS con l'installazione di una pompa di circolazione, vaso d'espansione e valvole di bilanciamento. Vantaggi: semplicità e possibilità di retrofit su impianti esistenti. Svantaggi: perdite di carico aggiuntive e necessità di una pompa di circolazione dedicata.
2. Collegamento in cascata con pompa di calore. In questo schema il deumidificatore riscalda l'acqua dalla temperatura T1 a T2 (ad esempio da 20°C a 40°C), e la pompa di calore la porta da T2 a T3 (ad esempio da 40°C a 60°C) per l'uso nell'ACS. Tra i due si installa un serbatoio inerziale per smorzare i regimi di funzionamento. Vantaggi: riduzione del carico sulla pompa di calore e aumento del COP complessivo del sistema, poiché la pompa di calore lavora con una sorgente preriscaldata. Svantaggi: complessità dell'automazione e necessità di coordinare i regimi operativi dei due dispositivi.
3. Utilizzatori diretti a bassa temperatura. In questo schema il calore del condensatore è utilizzato direttamente da sistemi con bassa temperatura di esercizio: pavimento radiante (30-40°C), preriscaldo dell'aria di ventilazione (20-30°C) o riscaldamento piscina (26-30°C). Vantaggi: livelli di temperatura ben allineati, recupero massimo senza apparecchiature aggiuntive. Svantaggio: è necessaria la presenza di tali utilizzatori a bassa temperatura nell'impianto.
Confronto tra diversi utilizzatori di calore:
- Pavimento radiante: livello di temperatura 30-40°C, compatibilità con il deumidificatore - buona, collegamento diretto possibile;
- Acqua calda sanitaria (ACS): livello di temperatura 55-60°C, compatibilità - limitata, necessaria cascata o post-riscaldo;
- Radiatori: livello di temperatura 50-70°C, compatibilità - limitata, utilizzabili solo in cascata con pompa di calore;
- Piscina: livello di temperatura 26-30°C, compatibilità - eccellente, utilizzatore ideale tutto l'anno.
Calcolo del calore recuperato: un esempio dettagliato
Consideriamo un esempio concreto di calcolo del recupero del calore da un deumidificatore per una piscina:
Dati di ingresso:
- Portata di deumidificazione G = 20 kg/h (da calcolo degli apporti di umidità della piscina)
- Temperatura dell'aria dell'ambiente = 28°C
- Umidità relativa dell'ambiente = 60%
- Potenza elettrica del deumidificatore N = 6 kW (da dati tecnici)
Passo 1: Calcolo del calore latente di condensazione dell'umidità.
Calore latente di vaporizzazione a 28°C r ≈ 2435 kJ/kg (da tabelle del vapore acqueo).
Calore latente Q(latente) = G × r = 20 kg/h × 2435 kJ/kg = 48700 kJ/h = 13,5 kW.
Passo 2: Bilancio termico del condensatore.
Calore al condensatore Q(condensatore) = Q(latente) + N(compressore) = 13,5 kW + 6 kW = 19,5 kW.
Questa è la potenza termica totale rilasciata al condensatore.
Passo 3: Potenza recuperata tramite scambiatore di calore ad acqua.
Assumiamo un rendimento dello scambiatore dell'80% (valore realistico per uno scambiatore a piastre correttamente dimensionato, dipende da tipo, superficie e salto termico).
Calore recuperato Q(recuperata) = Q(condensatore) × 0,80 = 19,5 kW × 0,80 = 15,6 kW.
Passo 4: Riscaldamento dell'acqua per la piscina.
Portata d'acqua attraverso lo scambiatore m = 0,5 kg/s (dimensionata in base al salto termico e all'idraulica del circuito).
Calore specifico dell'acqua c = 4,19 kJ/(kg·K).
Incremento di temperatura ΔT = Q(recuperata) / (c × m) = 15,6 kW / (4,19 kJ/(kg·K) × 0,5 kg/s) = 7,4 K.
Se l'acqua in ingresso è a 26°C, in uscita sarà a 33,4°C, che è del tutto idoneo per il riscaldamento della piscina.
Passo 5: Valutazione dell'effetto economico.
Senza recupero tutto il riscaldamento della piscina sarebbe fornito da una caldaia a gas o da un riscaldatore elettrico secondo la relativa tariffa. Con il recupero di 15,6 kW di calore “gratuito” si riduce il carico sul generatore principale. Il risparmio annuo dipende dalle ore di funzionamento del deumidificatore durante l'anno, dalle tariffe energetiche e dalla presenza di fonti alternative di calore.
Utilizzo stagionale: inverno, mezze stagioni, estate
L'efficacia del recupero del calore dal deumidificatore varia durante l'anno in funzione della stagione:
Modalità invernale: Il calore del condensatore è indirizzato al riscaldamento o al riscaldamento della piscina. Il deumidificatore funziona su segnale dell'igrostato, e il calore recuperato è utilizzato completamente senza smaltimento in ambiente. Se l'utilizzatore è un riscaldamento a bassa temperatura (pavimento radiante), il sistema può operare in autonomia. Per sistemi che richiedono temperature più alte (ACS, 60°C), il deumidificatore fornisce un preriscaldo a 45-50°C e il post-riscaldo è effettuato da caldaia o pompa di calore.
Mezze stagioni (primavera-autunno): Una parte del calore è recuperata quando il riscaldamento è ancora richiesto, ma una parte può risultare in eccesso quando il riscaldamento è già spento mentre la deumidificazione è ancora necessaria. Serve un sistema di commutazione - una valvola a tre vie automatica che indirizza il calore al riscaldamento, allo smaltimento (se il riscaldamento non è più necessario) oppure a un serbatoio inerziale.
Modalità estiva: Se c'è un utilizzatore tutto l'anno (ad esempio piscina o carico tecnologico), il calore viene convogliato lì. In caso contrario è necessario un sistema di smaltimento del calore - dry cooler (raffreddatore a secco), torre evaporativa, o semplicemente la disconnessione del circuito idraulico. In quest'ultimo caso il deumidificatore scarica il calore nel locale, aumentando il carico sull'impianto di condizionamento.
L'automazione stagionale può essere implementata con la seguente logica: se la temperatura dell'aria esterna è maggiore di 20°C OPPURE la temperatura del locale è maggiore di 26°C OPPURE non c'è richiesta di riscaldamento dal termostato, il calore viene inviato al dry cooler o in ambiente; altrimenti va al circuito di riscaldamento. Sono necessari sensori di temperatura e il controllo delle valvole secondo algoritmo tramite controllore programmabile.
Impatto dell'integrazione sull'efficacia di deumidificazione: temperatura di condensazione e capacità
L'integrazione del deumidificatore con l'impianto di riscaldamento influisce sulla sua funzione principale: la deumidificazione dell'aria. Questo impatto ha un meccanismo fisico chiaro:
1. L'aumento della temperatura dell'acqua di raffreddamento al condensatore porta a un aumento della temperatura di condensazione del refrigerante;
2. Questo comporta un aumento della pressione di condensazione;
3. Che determina una riduzione della portata massica del refrigerante attraverso il compressore;
4. Ciò riduce la potenza frigorifera dell'evaporatore;
5. Il che, in ultima analisi, riduce la capacità di deumidificazione.
La valutazione quantitativa di questo effetto dipende dal tipo di compressore, dal refrigerante e dalle condizioni iniziali. Per tipici compressori scroll con R410A, un aumento della temperatura di condensazione di 10 K può comportare una riduzione della portata massica del compressore di un valore dipendente dalla costruzione del compressore (i valori specifici vanno ricavati dai diagrammi del costruttore per ogni modello).
Una soluzione di compromesso è limitare la temperatura massima del fluido termovettore in uscita. Ad esempio, se per l'ACS serve acqua a 55°C ma il deumidificatore può garantire solo 45°C senza un calo critico della capacità, conviene adottare lo schema in cascata: il deumidificatore riscalda l'acqua da 20°C a 45°C, e la pompa di calore la porta da 45°C a 60°C.
I deumidificatori moderni con controllo inverter del compressore possono compensare parzialmente il calo di capacità aumentando la velocità di rotazione, ma ciò incrementa il consumo elettrico. La soluzione ottimale è trovare il giusto equilibrio tra capacità di deumidificazione e consumo energetico.
Quando l'integrazione ha senso ingegneristico: criteri di applicazione
L'integrazione del deumidificatore con l'impianto di riscaldamento è opportuna se sono soddisfatte tutte le seguenti condizioni:
1. Apporti di umidità stabili - il deumidificatore non funziona saltuariamente, ma almeno 10-15 ore al giorno per 6 o più mesi all'anno. È tipico di impianti come piscine, lavanderie, zone di essiccazione, magazzini ortofrutticoli, produzioni farmaceutiche.
2. Presenza di un utilizzatore costante di calore a bassa temperatura (fino a 50°C) - pavimento radiante, riscaldamento piscina, aria di rinnovo, radiatori a bassa temperatura, riscaldamenti di processo.
3. Presenza di una soluzione per il periodo estivo - utilizzatore tutto l'anno (piscina) o sistema di smaltimento del calore (dry cooler, torre evaporativa), oppure un regime coordinato (il deumidificatore lavora di notte, quando il calore non ostacola il condizionamento diurno).
4. Rapporto di potenze favorevole - la potenza termica del deumidificatore è almeno il 20-30% del carico termico di base dell'impianto; in caso contrario, la complessità dell'integrazione non è ripagata dagli investimenti.
L'integrazione NON ha senso ingegneristico se:
- Il deumidificatore funziona saltuariamente (1-2 ore al giorno, solo in estate);
- Non ci sono utilizzatori a bassa temperatura (solo riscaldamento ad alta temperatura > 70°C o ACS senza possibilità di cascata);
- L'economia del progetto è sfavorevole (il costo dell'integrazione supera il risparmio di 8-10 anni sui vettori energetici alle tariffe attuali).
Condizioni limite in cui gli approcci indicati non funzionano o richiedono correzioni:
- Temperatura del locale inferiore a 15°C (l'efficacia della deumidificazione cala bruscamente a causa della bassa temperatura di evaporazione);
- Temperatura di condensazione superiore a 60°C (la maggior parte dei compressori domestici e commerciali non è progettata per tale alta pressione);
- Regioni con stagione di riscaldamento molto breve (meno di 3 mesi), dove la redditività dell'integrazione diminuisce per il basso numero di ore di utilizzo del calore recuperato.
Errori progettuali tipici
Nella progettazione di sistemi di recupero del calore dai deumidificatori si riscontrano più spesso i seguenti errori:
1. Ignorare il rilascio di calore del deumidificatore nel calcolo del carico di condizionamento. Conseguenza: in estate il climatizzatore non basta, la temperatura del locale supera i limiti, si crea disagio. Esempio: piscina con deumidificatore da 25 kW termici, ma nel progetto di raffrescamento si considerano solo gli apporti di umidità delle persone e l'irraggiamento solare, senza il calore immesso dal deumidificatore. Risultato: deficit di potenza frigorifera di 3-5 kW, surriscaldamento del locale.
2. Mancanza di possibilità di smaltimento del calore in estate. Conseguenza: in estate il deumidificatore o non può funzionare (arresto di sicurezza per alta pressione di condensazione), oppure surriscalda il locale (carico aggiuntivo sul climatizzatore). Soluzione: prevedere un dry cooler o un utilizzatore estivo (piscina, riscaldamento di processo) già in fase di progetto.
3. Scelta errata della temperatura del fluido termovettore senza analisi dell'impatto sulla deumidificazione. Errore: il committente vuole 60°C per l'ACS, il progettista collega il deumidificatore direttamente, senza cascata. Risultato: la temperatura di condensazione sale a livelli critici (55-60°C), la capacità di deumidificazione cala e l'umidità nel locale non è mantenuta ai livelli di progetto. Soluzione: schema in cascata (il deumidificatore riscalda fino a 45°C, la caldaia o la pompa di calore porta a 60°C) oppure limitare la temperatura massima del fluido termovettore.
4. Assenza di serbatoio inerziale in un sistema con consumo termico variabile. Conseguenza: il deumidificatore è controllato dall'umidità (accensioni e spegnimenti tramite igrostato), l'utilizzatore di riscaldamento è controllato dalla temperatura (termostato) - si genera disallineamento dei regimi operativi. Il deumidificatore funziona quando il calore non serve, o viceversa. I frequenti avviamenti/arresti del compressore causano usura. Soluzione: serbatoio inerziale da 300-500 litri per sistemi commerciali.
5. Grandi distanze tra deumidificatore e utilizzatore senza calcolo delle perdite di calore. Esempio: deumidificatore in cantina, utilizzatore sul tetto, distanza 50 metri, tubazioni senza isolamento o con isolamento sottile. Risultato: le perdite di calore nelle tubazioni possono rappresentare una quota significativa della potenza utile. Soluzione: posizionare il deumidificatore più vicino all'utilizzatore o isolare adeguatamente le tubazioni.
6. Aspettative eccessive: il deumidificatore come sostituto completo di pompa di calore o caldaia. Errore: il committente si aspetta la copertura totale del riscaldamento dal deumidificatore senza calcolare il bilancio termico. Realtà: il deumidificatore fornisce tanto calore quanto vapore condensa. Se gli apporti di umidità sono bassi o stagionali, il calore sarà scarso. In inverno, con bassa umidità dell'aria interna, il deumidificatore lavora poco; quindi manca il calore quando serve di più. Soluzione: calcolo realistico del potenziale termico considerando il profilo annuale di produzione di umidità.
7. Ignorare la necessità di manutenzione del circuito idraulico. Se l'acqua è dura e manca il trattamento, si forma calcare sulle superfici dello scambiatore con conseguente calo dell'efficacia di scambio termico. Soluzione: trattamento acqua (addolcimento o demineralizzazione) oppure lavaggi chimici periodici dello scambiatore.
Domande frequenti
Quali sono i limiti di temperatura per il fluido termovettore nel recupero del calore dal condensatore del deumidificatore?
La temperatura minima è limitata dalla necessità di un sufficiente salto termico per lo scambio (in genere 5-7 K), cioè non inferiore a 15-20°C, il che in pratica non è un vincolo per i sistemi di riscaldamento, poiché il ritorno è di solito più caldo. La temperatura massima dipende dalla pressione di condensazione ammissibile del compressore. Per la maggior parte dei deumidificatori a R410A la temperatura del fluido in uscita non dovrebbe superare 50-55°C. Modelli industriali con compressori ad alta pressione possono arrivare a 60-65°C.
Il deumidificatore può sostituire completamente il sistema di riscaldamento?
Per impianti con apporti di umidità stabili (piscine, lavanderie, zone di essiccazione) e utilizzatori a bassa temperatura (pavimento radiante 30-40°C, piscina 28°C) - è possibile come fonte principale nelle mezze stagioni e in parte d'inverno, a condizione di una fonte di riserva per i picchi. Per ambienti residenziali o uffici senza apporti di umidità significativi e continui - no, perché la quantità di calore disponibile è limitata dalla capacità di deumidificazione.
Cosa fare con il calore in estate, se il riscaldamento non è richiesto?
Ci sono tre opzioni:
1. Utilizzatore del calore tutto l'anno (piscina, riscaldamento di processo) - il calore è recuperato costantemente.
2. Dry cooler o torre evaporativa per lo smaltimento in atmosfera - opportuno se non c'è un utilizzatore tutto l'anno.
3. Disconnessione del circuito idraulico in estate - il calore è immesso nel locale, con adeguamento della potenza dell'impianto di condizionamento.
Come influisce l'integrazione sull'efficacia della deumidificazione?
L'aumento della temperatura dell'acqua di raffreddamento al condensatore innalza la temperatura di condensazione del refrigerante, con conseguente incremento della pressione di condensazione, riduzione della portata massica del compressore e, di conseguenza, calo della capacità di deumidificazione. L'entità dell'effetto dipende dal tipo di compressore e dal refrigerante. Una soluzione di compromesso è limitare la temperatura massima del fluido in uscita (in genere non oltre 45-50°C) o usare uno schema in cascata.
Come stimare l'effetto economico dell'integrazione?
Il calcolo include i seguenti passi:
1. Determinazione del calore recuperato per la stagione di riscaldamento (capacità media di deumidificazione × ore di funzionamento × calore latente di condensazione × coefficiente di recupero).
2. Determinazione dell'energia sostituita dalla fonte principale (caldaia a gas, caldaia elettrica, pompa di calore).
3. Calcolo del risparmio annuo (energia sostituita × differenza nel costo specifico dell'energia).
4. Determinazione del tempo di ritorno (costi di integrazione / risparmio annuo).
Conclusioni
L'integrazione del deumidificatore con il sistema di riscaldamento o con una pompa di calore tramite il recupero del calore del condensatore è una soluzione ingegneristica efficace per impianti con apporti di umidità stabili e utilizzatori di calore a bassa temperatura. Tuttavia, non è una soluzione universale, ma uno strumento per condizioni specifiche.
Condizioni chiave per un'integrazione di successo:
- Corretta valutazione del bilancio termico;
- Bilancio energetico chiaro del condensatore;
- Allineamento dei livelli di temperatura (la temperatura massima del fluido deve essere coerente con le capacità del compressore);
- Presenza di una soluzione per il periodo estivo;
- Aspettative realistiche (comprendere che la quantità di calore è limitata dagli apporti di umidità, non dalle perdite dell'edificio).
Si raccomanda ai progettisti di analizzare sempre la possibilità di recupero del calore in fase di progetto, anche se l'implementazione viene rimandata. È importante prevedere predisposizioni, spazio per le apparecchiature e possibilità di future modernizzazioni.
Criteri di fattibilità dell'integrazione: apporti di umidità stabili per oltre 6 mesi, presenza di un utilizzatore a bassa temperatura (fino a 50°C) e soluzione per il periodo estivo. Se anche solo una condizione non è soddisfatta, l'integrazione richiede un ulteriore studio tecnico-economico.
Il recupero del calore da un deumidificatore non è una soluzione universale, ma se progettato correttamente può aumentare significativamente l'efficienza energetica complessiva del sistema e ridurre i costi operativi.
