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Le pompe di calore e l’effetto serra
Le pompe di calore e l’effetto serra
ISIS A. Malignani, Udine, 21.12.2016
Cristiano Gillardi
Comune di Udine e ISIS A. Malignani
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Le pompe di calore e l’effetto serra
Le pompe di calore
• Cosa sono e come funzionano
• A cosa servono
• Confronto tra tipologie
• Problemi e Vantaggi ambientali
• Costi e Vantaggi economici
• Cosa succede se . . . (pillole di esperienze personali)
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Le pompe di calore e l’effetto serra
Cosa sono
2° principio della Termodinamica
E’ impossibile realizzare una trasformazione di energia il cui unico
risultato consista nel trasferire calore da un corpo freddo a uno più
caldo (Clausius)
Come faccio per realizzare questo trasferimento di calore?
Uso un fluido speciale (frigorigeno)
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Le pompe di calore e l’effetto serra
Se l’”ambiente” è l’interno di un frigorifero, l’effetto è quello di
raffreddare l’ambiente interno al frigo scaricando il calore
nell’ambiente in cui si trova il frigo.
Per sottrarre calore a un fluido qualsiasi devo:
1. trasformarlo possibilmente in gas facendolo espandere
rapidamente (laminazione, valvola di espansione). L’espansione
provoca anche il raffreddamento del gas.
2. comprimerlo (in questa fase immetto dell’energia primaria
da fonte esterna al ciclo) e riscaldarlo di conseguenza
3. raffreddarlo (sottoraffreddarlo) mentre si trova compresso
fino a ritrasformarlo in liquido compresso
� Il ciclo a pompa di calore
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Le pompe di calore e l’effetto serra
Il ciclo frigorifero a compressione
Schema di circuito frigorifero reale con condensatore raffreddato ad acqua ed
evaporatore con batteria ad espansione diretta per il raffreddamento dell’aria
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Le pompe di calore e l’effetto serra
calore di risulta da
processi agricoli,
industriali e del
terziario
Il fluido raffreddato per espansione
rapida è in grado di assorbire calore da
una fonte gratuita nell’evaporatore.
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Le pompe di calore e l’effetto serra
Modalità di Suddivisione in base alla sorgente e al pozzo
Ciò vale per PdC elettriche e a gas
monoblocco o split o
multisplit
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Le pompe di calore e l’effetto serra
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Le pompe di calore e l’effetto serra
• COP, EER
� Il COP (Coefficiente di Prestazione) è definito come rapporto adimensionato tra l’energia trasferita all’evaporatore e l’energia spesa al compressore,
� L’EER (Energy Efficiency Ratio) rappresenta il rapporto tra frigorie rese e energia (J) assorbita
• CICLO FRIGORIFERO
Calore sottratto all’evaporatore� EER = —————————————————————————— = ε
Energia spesa al compressore
• CICLO A POMPA DI CALORE (pdc)
Calore sottratto all’evaporatore + lavoro di compressione� COP = ———————————————————————————————————— = ε + 1
lavoro (energia) di compressione
Efficienza di un circuito frigorifero
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Le pompe di calore e l’effetto serra
� L'EER, acronimo per Energy Efficiency Ratio, è un parametro che indica l’efficienza
elettrica di un climatizzatore mentre funziona in raffreddamento. La sua
formulazione è analoga al COP di una pompa di calore (quindi: calore trasferito
diviso per l'energia spesa per il trasferimento del calore) con l'unica differenza che
l'EER, riferendosi ai cicli frigoriferi, pone la sua attenzione sul calore asportato dalla
sorgente fredda (all’evaporatore)
)( TeTc
Te
L
QfEER
−
≤=
Il coefficiente di effetto utile ε per un ciclo inverso di tipo frigorifero è dato dal
rapporto fra il calore, per unità di massa di fluido operativo, sottratto alla sorgente a
temperatura inferiore e il valore assoluto del lavoro speso per fare ciò:
L
Q0
=ε Nella pratica tecnica, tale coefficiente ε è solitamente chiamato E.E.R.
Efficienza di un circuito frigorifero, COP, EER
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Le pompe di calore e l’effetto serra
in cui:
Tc = temperatura di condensazione, assoluta (K)
Te = temperatura di evaporazione, assoluta (K)
Ne deriva che più sono vicine Tc e Te, più alto è l’EER;
Quanto più si riducono le temperature (pressioni) di
condensazione e si elevano le temperature (pressioni) di
evaporazione, tanto più aumenta l’EER
)(KTeTc
Te
−
=EER teorico o di Carnot:
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Le pompe di calore e l’effetto serra
Funzionamento estivo
Da pompa di calore a frigorifero
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Le pompe di calore e l’effetto serra
Funzionamento invernale
notare l’inversione
di ruolo tra
evaporatore e
condensatore
Da frigorifero a pompa di calore
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Le pompe di calore e l’effetto serra
Quelli “del mestiere” usano molto le BTU
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Le pompe di calore e l’effetto serraPdC aria-acqua
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Le pompe di calore e l’effetto serra
motore
endotermico
Pompe di calore con motore a gas
(GHP = Gas Heat Pump)
Aisin-Toyota
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Le pompe di calore e l’effetto serra
A cosa servono
• riscaldamento ambienti (residenziali, terziario, industriali, serre)
• riscaldamento cicli produttivi
• recupero calore per essiccazione derrate, vernici, ecc.
• raffrescamento (e deumidificazione) ambienti civili e industriali
• ambienti a bassa temperatura per lavorazione e conservazione di derrate
alimentari:
� celle di refrigerazione e surgelazione
� banchi ed espositori a bassa temperatura per alimenti
• ambienti a bassa temperatura per industrie chimiche e farmaceutiche
• produzione di gas tecnici liquefatti
• criogenia industriale (vedi slide successiva)
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Le pompe di calore e l’effetto serraImpianti automatizzati per celle frigorifere e forni
Caroselli di cottura o refrigerazione per alimenti
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Le pompe di calore e l’effetto serra
Criogenia industriale
• Produzione di gas tecnici liquefatti
• Abbattimento e recupero COV
• Calettamento di organi meccanici
• Recupero gomma/metallo, tempra sottozero, recupero cavi
• Criomacinazione nella Chimica e nella Farmaceutica
• Cristallizzazione e liofilizzazione nella Farmaceutica
• Pelletizzazione criogenica
• Pulizia di superfici con ghiaccio secco
• Raffreddamento nella Farmaceutica
• Recupero gas ODP e GWP
• Sverniciatura criogenica
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Le pompe di calore e l’effetto serra
L’efficienza nelle PdC
Elettricità o calore, sempre di energia si tratta;
dal punto di vista ambientale la partita si gioca sulle
efficienze a parità di sorgente ed a parità di domanda
Confronto tra PdC elettriche (EHP) e a gas (GHP)
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Le pompe di calore e l’effetto serra
Variazione del COP al variare della temperatura della sorgente fredda
e del tipo di PdC
L’efficienza nelle PdC
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Le pompe di calore e l’effetto serra
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Le pompe di calore e l’effetto serra
Curve di potenza calorifica di
due pdc aria/acqua di
potenza differente per
temperature di mandata di
35 °C e fabbisogno termico
dell'edificio in funzione della
temperatura esterna
La taglia “giusta”
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Le pompe di calore e l’effetto serra
Variazione di Potenza assorbita e
di COP al variare della temperatura
dell’aria e della temperatura di
mandata dell’acqua
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Le pompe di calore e l’effetto serra
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Le pompe di calore e l’effetto serra
Confronto tra EHP e GHP
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Le pompe di calore e l’effetto serra
GHP in funzionamento riscaldamento
aria ambiente
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Le pompe di calore e l’effetto serra
GHP in funzionamento raffrescamento con recupero calore
aria ambiente
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Le pompe di calore e l’effetto serra
Vi è poi la possibilità di cogenerare, tramite un alternatore collegato al
motore endotermico, parte dell’elettricità necessaria all’alimentazione
delle unità interne e degli ausiliari.
Benefici energetici delle pompe di calore a gas
Una pompa di calore a gas consta in un compressore , accoppiato
meccanicamente (più raramente per via elettrica) a un motore endotermico; il
circuito percorso dal fluido frigorifero si compone di una valvola di inversione “a
quattro vie” di inversione del ciclo, di uno scambiatore posizionato
all’esterno uno scambiatore posizionato all’interno dei locali da condizionare che
fungono alternativamente da evaporatore o da condensatore secondo la modalità
di funzionamento (pompa di calore o raffreddamento).
Il motore è raffreddato mediante un circuito di raffreddamento percorso da acqua
e glicole, l’acqua in uscita dal motore attraversa uno scambiatore in cui si
riscalda ulteriormente prelevando calore dai gas combusti del motore, che
vengono quindi raffreddati prima di essere espulsi al camino.
Il calore recuperato dal motore può essere utilmente impiegato per la produzione
di acqua calda sanitaria mediante un opportuno boiler.
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Le pompe di calore e l’effetto serra
Se non ho disponibile l’energia elettrica . . .
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Le pompe di calore e l’effetto serra
PdC ad assorbimento
monostadio
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Le pompe di calore e l’effetto serra
Tecneuropa Srl
Freddo da recupero di calore
Ciclo bistadio ad H20 e LiBr
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Le pompe di calore e l’effetto serra
L'efficienza di una PdC a gas è misurata dal valore di efficienza di utilizzazione del
gas "G.U.E." (Gas Utilization Efficiency), che è il rapporto tra l'energia fornita
(calore ceduto al mezzo da riscaldare) ed energia consumata dal bruciatore.
Il G.U.E. è variabile in funzione del tipo di pompa di calore e delle condizioni di
funzionamento ed ha, in genere, valori intorno a 1,5.
Questo vuol dire che per 1 kWh di gas consumato fornirà 1,5 kWh di calore al
mezzo da riscaldare.
Il confronto corretto prevede di riferirsi in entrambi i casi all’energia
primaria consumata.
Si definisce un fattore denominato coefficiente di utilizzo del combustibile,
C.U.C. (in inglese spesso denominato fuel utilization efficiency, F.U.E.), per indicare
l’efficienza di utilizzo del combustibile, riferendosi quindi alla fonte primaria di
energia: dove QU rappresenta l’effetto utile prodotto dalla macchina,
rispettivamente calore in inverno ed energia frigorifera in estate, mentre QF è
l’energia del combustibile impiegato per ottenere quell’effetto.
CUC = QU / QF
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Le pompe di calore e l’effetto serra
Confronto tra tecnologie
Emissioni CO2 eq.
g/kWh termico reso
Energia elettrica
mix. rete106 3,5
Metano 147 1,5
GPL 179 1,4
Biogas (x en. el.) 60 3,5
Biogas (x termico) 127 1,65
Fotovoltaico 11 3,675
Idroelettrico (mini) 5 3,675
VettoreC.U.C.
primario
Problemi e vantaggi ambientali
Le emissioni x kWh elettrico sono in calo; il CUC è
molto variabile soprattutto per le EHP
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Le pompe di calore e l’effetto serra
EFFETTO SERRA
• USO FONTI FOSSILI (energia e produzioni chimico-
industriali)
• ALLEVAMENTI INTENSIVI
• DEFORESTAZIONE
• DISTRUZIONE SUOLO FERTILE
Un problemino da niente . . .
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Le pompe di calore e l’effetto serra
Il nostro “cappottino”:
1.1. Vapore acqueo Vapore acqueo
2. CO2
3. CH4
4. Ossido nitroso N2O
5. Idrofluorocarburi HFCs (Pompe di calore, quasi tutte)
6. Perfluorocarburi PFCs
7. Esafluoruro di zolfo SF6
Ossido nitroso: l’ossido nitroso (N2O) è emesso naturalmente dagli oceani, dalle foreste pluviali e dai
batteri presenti nel suolo. Le fonti ascrivibili alle attività umane comprendono i fertilizzanti a base di
nitrati, la combustione di combustibili fossili e la produzione di prodotti chimico-industriali con uso di
azoto, per esempio nel trattamento dei liquami. Nei paesi industrializzati, l'N2O è responsabile del 6%
circa delle emissioni ad effetto serra. Ha una capacità di assorbimento del calore 310 volte più elevata
del CO2. Dall’inizio della rivoluzione industriale, le concentrazioni di ossido nitroso nell’atmosfera sono
aumentate del 16% circa, contribuendo per un 4 - 6% all’accelerazione dell’effetto serra
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Le pompe di calore e l’effetto serra
RIDUZIONE (MITIGAZIONE):
• EFFICIENZA
• RIDUZIONE SPRECHI
• USO FONTI RINNOVABILI
• RIDUZIONE CONSUMO CARNE, LATTICINI, UOVA (da
allevamenti intensivi)
• RIFORESTAZIONE
• RECUPERO AREE ANTROPIZZATE
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Le pompe di calore e l’effetto serra
Per quanto riguarda le PdC:
a) Elementi costruttivi di un impianto a PdC >>> Efficienza
b) Fluidi frigorigeni (ODP = 0, GWP . . . .) e oli compatibili
c) Energy saving nella climatizzazione
1. MANUTENZIONE!
2. Regolazione e gestione impianti : temperature limite, umidità
relativa
3. Impianti a portata variabile
4. Freddo da recupero di calore
5. Free cooling
6. Raffrescamento adiabatico (metropolitana Milano)
7. Accumulo del freddo (del caldo) – differimento del
carico frigorifero (termico)
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Le pompe di calore e l’effetto serra
Il Free Cooling
Quando l’entalpia dell’aria esterna è minore dell’entalpia dell’aria ambiente,
l’aria esterna è utilizzabile per raffreddare gratuitamente l’ambiente.
Il principio alla base del “free-cooling” è la capacità dell’aria di “catturare”
l’umidità: il contatto tra l’acqua di torre e l’aria ambiente “non satura”
all’interno della torre evaporativa porta a evaporazione parte dell’acqua di
torre che “carica” l’aria d’umidità fino alla quasi-saturazione (95%):
l’evaporazione sottrae calore al refrigerante.
Affinché ciò sia possibile occorre:
1. che il sistema di trattamento dell’aria disponga anche di un ventilatore di
espulsione, di un gruppo-plenum di espulsione/ricircolo e camera di
miscelazione.
2. che il sistema di controllo sia dotato di uno strumento in grado di rilevare
l’entalpia dell’aria in ambiente e dell’aria esterna.
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Le pompe di calore e l’effetto serra
Una configurazione tipica di un impianto per “free-cooling” è la seguente:
Il “sistema indiretto”
Il “sistema indiretto” prevede l’installazione di uno scambiatore di calore acqua di torre/acqua refrigerata.
Date le temperature modeste e le pressioni basse dei due circuiti, gli scambiatori a piastre sono particolarmente idonei per questa applicazione.
Il dimensionamento dello scambiatore è di fondamentale importanza.
Il “sistema indiretto”, pur non essendo particolarmente efficiente (la presenza dello scambiatore di calore impone, a paritàdi condizioni al contorno, temperature di bulboumido dell’aria più basse), è, tuttavia, ritenuto la soluzione più efficace e affidabile, in quanto consente di isolare il circuito dell’acqua di torre dal circuito del chiller, preservando le caratteristiche chimico-fisiche dell’acqua refrigerata.
Configurazione di un impianto per “free-cooling”
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Le pompe di calore e l’effetto serra
Utilizzo delle FER (Fonti Energetiche Rinnovabili):
Energia elettrica da:
1. Fotovoltaico (l’accumulo o storage domestico, per il momento, non
comporta una riduzione dell’effetto serra);
2. Biomasse (biogas) e biometano (con parziale beneficio per la riduzione del CO2);
3. Eolico (pochissimo in FVG)
4. Idroelettrico (mini e micro)
Utilizzo di Energia termica da:
1. cascami termici di processi produttivi
2. aria viziata espulsa
3. Solare termico
4. fluidi di chiusura cicli di refrigerazione: centrali termoelettriche
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Le pompe di calore e l’effetto serra
L’utilizzo diretto di energia da FV consente un drastico
abbattimento della CO2eq.
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Le pompe di calore e l’effetto serra
Costi e vantaggi economici
� Maggiori investimenti o minor risparmio energetico annuo?
� Meglio investire prima in riduzione del fabbisogno di riscaldare o
raffreddare?
Opportunità di finanziamenti/agevolazioni
� Detrazione fiscale 50% o 65%
� Conto Termico
� Finanziamenti POR-FESR (non per privati cittadini)
� Finanziamenti regionali prima casa ex Legge regionale 19/02/2016, n.1
Interventi di manutenzione volti all’efficientamento energetico o messa a norma di impianti, anche se
realizzati su parti comuni degli edifici:
Installazione di impianti solari termici o fotovoltaici
Installazione o sostituzione di caldaie per il riscaldamento con installazione o rifacimento dei
relativi impianti . . . .
Installazione impianti geotermici.
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Le pompe di calore e l’effetto serra
Costi e vantaggi economici
� Il risparmio annuo è legato al COP (EER) dell’impianto adottato e
dovrebbe oscillare tra il 50% e l’80% della spesa precedente.
� Un impianto nuovo in un’abitazione nuova – a parità di fabbisogno –
consente risparmi maggiori (temperatura di mandata inferiore) rispetto
ad un semplice retrofitting.
� Gli impianti più efficienti possono essere più ingombranti e richiedere
maggiore cura nella gestione.
� Si possono realizzare ottime soluzioni a livello condominiale con
impianto tradizionale centralizzato
� La possibilità di installare accumuli di calore (o di freddo) consentono
di utilizzare le PdC con le migliori efficienze (ore + calde o + fredde della
giornata)
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Le pompe di calore e l’effetto serra
PARAMETRO “R” PER DEFINIRE IL VALORE MINIMO DEL COP
PER LA CONVENIENZA ECONOMICA DELLE POMPE DI CALORE
Esempio:
Costo elettrico = 0,25 [€/kWh]
Costo gas metano = 0,9 [€/m3]
PCI metano = 9,59 [kWh/m3]
Rendimento caldaia = 0,99 (Caldaia condensazione)
Una PdC deve avere quindi un COP > R
C’è convenienza finchè COP > 2,63
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Le pompe di calore e l’effetto serra
Secondo contatore per pompa di calore
elettrica
I Distributori di energia elettrica sono tenuti a fornire un
secondo contatore dedicato per le pdc, anche trifase, con
costi inferiori del kWh, ma costi di nolo e allaccio molto alti!
Informarsi bene (insistere!) e valutare le varie opzioni per
utenze Domestiche e diverse dalle domestiche.
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Le pompe di calore e l’effetto serra
• Come per ottenere i migliori (o attesi) risultati ambientali
(= risparmio di energia fossile), anche per ottenere i migliori
“payback” si deve:
� usare tecnologie e componenti affidabili;
� curare la gestione e la manutenzione (pulizia) degli impianti.
• Banale dirlo, ma questo è vero anche per gli impianti più
tradizionali: stufe a legna, caldaie a condensazione,
condizionatori split, frigo-congelatori.
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Le pompe di calore e l’effetto serra
Cosa succede se . . . (pillole di esperienze personali)
� Scambiatore caldaietta a condensazione (la mia): la mancata
pulizia per 2 anni ha comportato lo smontaggio, la
disincrostazione a spazzola e poi con liquido speciale ed il
rimontaggio: 6 ore di lavoro, invece di 1 h ogni anno
� Unità interna dello split di un barbiere = condizionatore in blocco
e filtro antipolvere intasato al punto da dover essere sostituito
� guarnizioni di un congelatore a pozzetto indurite e parzialmente
sbriciolate = il compressore lavorava h 24 e l’interno era un
blocco di ghiaccio!
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Le pompe di calore e l’effetto serra
Tubazioni glicole senza più isolante
Scambiatori sporchi,
tubazioni non isolate
Cosa succede se . . .
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Le pompe di calore e l’effetto serra
Cosa succede se . . .
Vecchi banchi espositori di tipo mobile
I progettisti edili devono collaborare con gli
impiantisti per ottimizzare l’installazione e la
MANUTENZIONE degli impianti tecnologici!
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Le pompe di calore e l’effetto serra
Riferimenti bibliografici (alcuni scaricabili da internet)
• Antonio Briganti ”Il condizionamento dell÷aria‘ (2000) — Tecniche Nuove_Milano
• Karl Breidenbach ”Manuale del freddo‘ (2004) Tecniche Nuove_Milano
• ENEA-FIRE ”Uso razionale dell÷energia — Edifici residenziali e del terziario‘ Corso per
energy manager 2006_Bologna
• Giuseppe Bisagno ”Come si costruisce un buon impianto frigorifero‘ Centro Studi
Galileo
• Aermec ”Il circuito frigorifero e le macchine per la climatizzazione‘
• AiCARR - Milano 2000 - Condizionamento, Riscaldamento, Refrigerazione: innovazioni e
tendenze - sessione: Refrigerazione: ”L'efficienza media ponderata dei gruppi
frigoriferi a compressione: la proposta AICARR per un metodo di calcolo‘ E.
Bacigalupo, C. Vecchio, M. Vio, M. Vizzotto
• ing. Roberto Savoldelli ”Pompe di calore‘ in corso per Energy Manager‘ AFOR Sas,
Milano, 2011
• www.interfred.it
• www.robur.it
• www.dimplex.de
• www.anima.it
• http://www.tecno-casa.com/it/default.aspx?level0=home (Aisin-Toyota)
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