Le pompe di calore utilizzano l'energia ambientale per fornirci calore. Però, richiedono generalmente refrigeranti sintetici, che contengono gas fluorurati ad effetto serra nocivi per l'ambiente (gas fluorurati). I ricercatori di Fraunhofer hanno ora contribuito allo sviluppo di una pompa di calore che utilizza invece il propano. La pompa è sia più ecologica che più efficiente.

"Il riscaldamento e l'acqua calda rappresentano circa il 40% del consumo energetico finale della Germania. Bruciare combustibili fossili di alta qualità come il gas naturale o il petrolio greggio non solo ha poco senso dal punto di vista energetico, danneggia anche il clima. Ogni unità di energia elettrica necessaria per far funzionare una pompa di calore, derivato spesso da risorse rinnovabili, genera da tre a cinque unità di CO ₂ -energia termica neutra. Ciò rende le pompe di calore un elemento importante nell'attuazione della transizione della Germania verso un sistema energetico sostenibile, "dice il dottor Marek Miara, che coordina il lavoro sulle pompe di calore presso il Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE di Friburgo.

Una pompa di calore funziona in modo simile a un frigorifero. Il refrigerante assorbe il calore all'interno del frigorifero e lo trasporta all'esterno. La differenza è che il calore lasciato fuoriuscire liberamente dal retro di un frigorifero è ciò che estrae una pompa di calore, in questo caso dal terreno, acque sotterranee, o aria ambiente - per riscaldare le nostre case o l'acqua.

Per realizzare questo, il riscaldato, il refrigerante vaporizzato viene compresso, che ne aumenta la temperatura e la pressione. Il gas refrigerante caldo cede il suo calore all'acqua e si condensa. L'acqua calda scorre negli impianti di riscaldamento a pavimento, radiatori o serbatoi di accumulo di acqua calda, mentre il liquido refrigerante, ora fresco, rifluisce in un cosiddetto evaporatore, dove assorbe nuovamente l'energia termica. Il ciclo ricomincia quindi dall'inizio.

Per la maggior parte, i refrigeranti sono composti da una miscela di sostanze sintetiche contenenti dannosi per l'ambiente, gas fluorurati ad effetto serra (gas fluorurati). Nel giugno 2014, la Commissione europea ha annunciato che i gas fluorurati saranno gradualmente eliminati dal mercato. Uno rispettoso dell'ambiente, un'alternativa naturale ai refrigeranti sintetici è il propano, che sta già guadagnando popolarità nei sistemi di condizionamento e refrigerazione. Ma il suo utilizzo nelle pompe di calore è ancora relativamente nuovo.

Perché anche se il propano ha eccellenti proprietà termodinamiche, è altamente infiammabile, e questo rappresenta una sfida quando viene utilizzato in un ciclo di calore.

"Se vuoi usare il propano, è necessario mantenere il volume di refrigerante il più basso possibile per ridurre al minimo i rischi coinvolti, " dice la dottoressa Lena Schnabel, che dirige il dipartimento per le tecnologie di riscaldamento e raffreddamento presso Fraunhofer ISE.

Una struttura bionica garantisce una distribuzione uniforme

La soluzione dei ricercatori ISE, insieme ai loro partner di ricerca europei, è quello di impiegare molto compatto, brasato, scambiatori di calore alettati che funzionano bene con piccoli volumi di liquido. L'energia termica viene trasferita da una sostanza che scorre all'altra tramite scambiatori di calore. Questi sono composti da numerosi canali paralleli contenenti il ​​refrigerante circolante, che assorbono calore (noti come "vaporizzatori") o lo irradiano ("condensatori"). "Il liquido deve evaporare o ricondensarsi completamente per tutta la durata. Per garantire che funzionino in modo efficiente, il rapporto vapore-liquido deve essere identico in tutti i canali. In genere, non è facile da raggiungere, e diventa particolarmente complicato se si cerca anche di limitare il volume di refrigerante."

Per risolvere il problema, Schnabel e il suo team hanno sviluppato un distributore con una struttura bionica:"I distributori Venturi convenzionali sembrano un mucchio di spaghetti fatti di tanti tubi sottili che si uniscono dove incontrano il vaporizzatore. Il nostro distributore è diverso:ha una struttura a ramificazione continua come i rami e ramoscelli di un albero, che assicurano una distribuzione uniforme del refrigerante nei singoli canali dell'evaporatore, anche con un piccolo volume di refrigerante." Questa struttura consente un utilizzo ottimale dell'intera superficie dello scambiatore di calore, che migliora l'efficienza.

Per ridurre il rischio di esplosione durante la compressione del propano, Schnabel e il suo team hanno utilizzato un compressore specializzato in cui erano incapsulate tutte le fonti di accensione. Hanno avuto grande cura nel collegare i singoli componenti della pompa per evitare la fuoriuscita di propano. "Attualmente stiamo modificando il design tecnico della pompa di calore, testare il comportamento a lungo termine dei suoi componenti, e sviluppare strategie di sicurezza sostenibili, " dice Schnabel.