Pompa di calore

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La pompa di calore è una macchina in grado di trasferire energia termica da una sorgente a temperatura più bassa ad una sorgente a temperatura più alta o viceversa, utilizzando differenti forme di energia, generalmente elettrica.

Descrizione[modifica | modifica sorgente]

Esempi comuni di macchine di questo tipo sono:

Si noti che, nel campo di condizionamento dell'aria, il termine pompa di calore è specificamente riferito ad un condizionatore d'aria con valvola reversibile, che cambia la direzione di scorrimento del fluido refrigerante e permette così sia di apportare sia di estrarre calore da un locale di un edificio.

Funzionamento[modifica | modifica sorgente]

Principio di funzionamento di una pompa di calore:
  1. condensatore,
  2. Valvola di laminazione,
  3. evaporatore,
  4. compressore.

Le pompe di calore funzionano grazie a diversi principi fisici, ma sono classificate in base alla loro applicazione (trasmissione di calore, fonte di calore, dispersore di calore o macchina refrigeratrice).

Si porge una spiegazione intuitiva di come funziona una pompa di calore. Si immaginino 100 unità di energia termica all'interno di un pallone; questo viene compresso fino a raggiungere le dimensioni di una pallina da ping pong: questa pallina contiene le stesse unità di energia, ma l'energia termica per unità di volume è maggiore e la temperatura dell'aria all'interno della palla è aumentata.
Le pareti della pallina si riscaldano e quindi il calore inizia a trasferirsi all'esterno. Per portare questo calore in un altro luogo, si può immaginare di muovere la pallina in una zona fredda, dove essa gradualmente aggiusterà la sua temperatura fino a uguagliare la temperatura dell'ambiente: in questo processo si ipotizza che essa trasferisca 50 unità di energia termica.
Dopo che la pallina si è raffreddata, la si può riportare nella zona iniziale e lasciarla espandere. Dato che ha perso calore, nel momento in cui torna alle dimensioni di un pallone la sua temperatura è troppo bassa e quindi inizia ad assorbire energia termica, raffreddando l'aria circostante.

Il compressore di una pompa di calore crea proprio la differenza di pressione che permette il ciclo (similmente alla palla che si espande e si contrae): esso aspira il fluido refrigerante attraverso l'evaporatore, dove il fluido stesso evapora a bassa pressione assorbendo calore, lo comprime e lo spinge all'interno del condensatore dove il fluido condensa ad alta pressione rilasciando il calore assorbito. Dopo il condensatore, il fluido attraversa la Valvola di laminazione che lo porta in condizione liquido/vapore (riduce la pressione del fluido), successivamente rientra nell'evaporatore ricominciando il ciclo. Il fluido refrigerante cambia di stato all'interno dei due scambiatori: passa nell'evaporatore da liquido a gassoso, nel condensatore da gassoso a liquido.

Rendimento[modifica | modifica sorgente]

Quando si confrontano le prestazioni di pompe di calore, è meglio evitare il termine "rendimento", in quanto esso ha differenti significati, ma conviene parlare di resa. La resa è espressa dal coefficiente di prestazione, COP, rapporto tra energia resa (alla sorgente di interesse) ed energia consumata (di solito elettrica), usualmente indicato in fisica tecnica come coefficiente di effetto utile. Un valore del COP pari a 3 indica che per ogni kWh di energia elettrica consumato, la pompa di calore fornisce calore pari a 3 kWh.

Quando usata per scaldare con un clima mite, una pompa di calore ha un COP che va da 3 a 4 (mediamente a 10 °C raggiunge 3,3, invece a −8,3 °C è circa 2,3). Una classica stufetta elettrica ha un COP teorico pari a 1. In altre parole 1 joule di energia elettrica dato alla stufetta dà calore pari a 1 J, mentre, in condizioni ideali, dato ad una pompa di calore muove più di 1 J di energia termica da un luogo freddo a uno caldo. A volte questo concetto è espresso dai venditori di pompe di calore con la dichiarazione di un rendimento maggiore del 100%, ma questa espressione è scorretta, in quanto quell'energia non produce calore, ma lo muove.

Nel caso di una "stufetta" una macchina di Carnot in senso inverso (le si fornisce lavoro e si ottiene calore), tra sorgenti rispettivamente a 0 e 20 gradi centigradi, il rendimento teorico COP è pari a 15 (rapporto 1:15 tra il lavoro delle resistenze elettriche e il calore ottenuto). Macchine simili sono efficienti, ma il loro costo d'impianto è elevato.

Il processo della pompa di calore non viola né la prima legge della termodinamica, perché ci vuole meno energia per muovere il calore che per produrlo, né la seconda legge della termodinamica, perché il lavoro richiesto per muovere calore da bassa ad alta temperatura è maggiore del lavoro che si può ricavare muovendo la stessa energia termica, in senso opposto, attraverso un motore ideale (questo è il principio che limita il COP).

Si fa notare che quando c'è una notevole differenza di temperatura, per esempio quando si vuole riscaldare una casa in una rigida giornata invernale, è necessario più lavoro per muovere il calore. Se la pompa di calore è all'esterno e l'evaporatore non è riparato, è possibile che il COP scenda e sia inferiore a 1 e che l'umidità dell'aria tenda a ghiacciarsi sulle alette del dispositivo (con obbligo di periodico scongelamento). In altre parole, quando fuori fa molto freddo, conviene produrre calore all'interno con una stufetta piuttosto che prenderlo dall'esterno.

In fase di raffreddamento la prestazione di una pompa di calore è descritta dall'EER (energy efficiency ratio) o dall'SEER (seasonal energy efficiency ratio), migliore prestazione per valori più elevati. Il costruttore dichiara quindi sia il COP, sia l'EER (o l'SEER). In alcuni stati è richiesto un minimo valore per il SEER: in Canada esso è 13; con l'uso di scambiatori e fluidi refrigeranti più efficienti, uniti a compressori a velocità variabile, si possono raggiungere valori pari a 17.

La pompa di calore è solitamente più efficiente nel riscaldamento che nel raffreddamento, dato che la macchina dissipa sempre una parte di energia in calore, calore che può essere usato per il riscaldamento.

Questo è il motivo per cui la porta del frigorifero aperta in una giornata estiva fa scaldare la cucina: infatti il calore assorbito dallo scomparto freddo è riversato nel condensatore, aumentato dell'energia elettrica dissipata in calore. Un frigorifero aperto è essenzialmente un riscaldatore elettrico 'molto complicato'.
Per questa ragione si usa una formula diversa per il calcolo del COP in riscaldamento o in raffreddamento. In quest'ultimo non interessa quanto calore è disperso dal condensatore, ma quanto calore è estratto dalla zona fredda.

Di seguito si riportano le formule per il calcolo del COP in applicazioni per il riscaldamento e per il raffreddamento.


\mathrm{COP_{riscaldamento}} = \frac{\Delta Q_{\mathrm{caldo}}}{\Delta A} \leq \frac{T_{\mathrm{calda}}}{T_{\mathrm{calda}}-T_{\mathrm{fredda}}} = \frac{1}{\eta_{\mathrm{ciclo \ di \ Carnot}}}

\mathrm{COP_{raffreddamento}} = EER = \frac{\Delta Q_{\mathrm{freddo}}}{\Delta A} \leq \frac{T_{\mathrm{fredda}}}{T_{\mathrm{calda}}-T_{\mathrm{fredda}}}

dove Q_{\mathrm{freddo}} è la quantità di calore estratta da una riserva fredda alla temperatura T_{\mathrm{fredda}} e Q_{\mathrm{caldo}} è la quantità di calore distribuita ad una riserva calda alla temperatura T_{\mathrm{calda}}.

Le pompe di calore commerciali sono in rapido sviluppo: il COP è cresciuto negli ultimi 5 anni da 3 a 4 e, in alcuni casi, a 5. Di conseguenza stanno diventando una valida scelta per il riscaldamento domestico. Qui sono utilizzate comunemente quelle ad aria e quelle geotermiche, anche in congiunzione con caldaie termiche; a questo proposito si tenga presente che l'aria a −18 °C contiene ancora l'85% dell'energia termica dell'aria a 21 °C.

Per le pompe di calore che sfruttano l'aria il COP è limitato quando operano in climi molto freddi, dove c'è meno calore da trasferire all'interno di un edificio. Tipicamente il COP scade quando fuori la temperatura scende attorno a −5 °C o −10 °C. Quando si compra una pompa di calore è importante prestare attenzione al COP, a quale intervallo di temperatura tale COP si riferisce, al costo di installazione della pompa, a quanto calore può trasferire, al rumore generato.

Il COP di una pompa di calore che sfrutta il sottosuolo (di solito l'acqua sotterranea), che rimane a una temperatura relativamente costante durante l'anno ad una profondità di 2,5 m, è maggiore di quello della pompa che sfrutta l'aria ed è costante durante l'anno; in compenso la sua installazione è più difficoltosa e costosa.

Le pompe di calore sono sempre più utilizzate per riscaldare le piscine e l'acqua per usi domestici.

Pompa di calore ad aria per condizionamento[modifica | modifica sorgente]

L'unità esterna

Ci sono due tipi di pompe di calore ad aria; la più comune è quella aria-aria, che estrae calore dall'aria e lo riversa all'interno o all'esterno di un edificio, a seconda della stagione; segue poi quella aria-acqua, che è utilizzata in ambienti con la distribuzione idronica del calore (questa seconda soluzione è comunque più rara).
Le pompe di calore ad aria possono essere:

  • progettate per lavorare in unione con una fonte supplementare di riscaldamento, come una caldaia elettrica, a gas, a gasolio.
  • già dotate di resistenza elettrica in funzione di riscaldatore supplementare;
  • bivalenti, se sono dotate di un riscaldatore a propano per innalzare la temperatura dell'aria in ingresso dall'esterno.

La fase di riscaldamento[modifica | modifica sorgente]

Il calore è prelevato dall'aria esterna e portato all'interno dell'edificio.

  • Il fluido refrigerante attraversa la valvola di laminazione e diventa una miscela liquido-vapore a bassa pressione. Quindi entra nell'evaporatore, posto all'esterno, dove assorbe calore fino a diventare vapore a bassa temperatura.
  • Il vapore attraversa l'accumulatore, dove è raccolto anche ogni rimanente liquido. Quindi viene compresso, con conseguente innalzamento della temperatura.
  • Il vapore caldo giunge nel condensatore, che è il radiatore posto all'interno dell'edificio (vicino all'eventuale caldaia), e cambia di fase rilasciando il calore di liquefazione. Il liquido ottenuto ritorna alla valvola di laminazione e il ciclo si ripete.

Alla temperatura esterna di equilibrio la capacità di riscaldamento della pompa pareggia le dispersioni termiche dell'edificio, mentre sotto ad essa è necessario l'apporto di una caldaia tradizionale. Si sottolinea che la pompa di calore produce aria in grandi quantità (50-60 l/s per kW) a temperature tra i 25 °C e i 45 °C, tendendo ad operare per periodi più lunghi rispetto a una normale caldaia, che rilascia aria tra i 55 °C e i 60 °C.

La fase di raffreddamento[modifica | modifica sorgente]

D'estate si inverte il ciclo appena descritto in modo da cambiare direzione al flusso di calore: il liquido refrigerante evapora nel radiatore interno e condensa nel radiatore esterno. L'aria interna viene inoltre deumidificata.

La fase di sbrinamento[modifica | modifica sorgente]

Quando il radiatore esterno opera come evaporatore, la sua superficie risulta a bassa temperatura quando anche l'aria esterna è fredda (fase di riscaldamento nella stagione invernale). Questo comporta la formazione di ghiaccio su di esso, dovuta alla presenza di umidità nell'aria esterna, e di conseguenza una riduzione del rendimento dello scambio termico (il ghiaccio è isolante). Per disciogliere lo strato di ghiaccio la valvola reversibile inverte il ciclo e la ventola dell'evaporatore esterno si ferma, in modo da ridurre l'energia termica necessaria per lo sbrinamento. Ovviamente, mentre la macchina è in questa fase, il radiatore interno raffredda l'aria dell'edificio e quindi vi è la necessità di riscaldarla prima di immetterla in circolo.

Vi sono due metodi per stabilire quando effettuare lo sbrinamento:

  • con un sensore di temperatura esterno e un timer che inverte il ciclo ogni tot minuti;
  • con un sistema di controllo più raffinato, che monitora il flusso d'aria, la pressione del refrigerante, la temperatura dell'aria.

Il secondo metodo, seppur più caro, è preferibile in quanto evita sbrinamenti non necessari e quindi migliora il rendimento della macchina.

Dimensionamento[modifica | modifica sorgente]

Anche se la pompa di calore può fornire tutto il calore necessario ad un edificio, non è conveniente quando i carichi per il riscaldamento sono molto maggiori di quelli per il raffreddamento: la pompa, dimensionata per la stagione invernale, d'estate opererebbe in maniera intermittente, con minore rendimento e minore capacità di deumidificazione.

Un buon compromesso tra costi e prestazioni stagionali comporta che la pompa di calore fornisca non più del 125% del carico estivo e non più del 90% del carico invernale. Così facendo, la temperatura di equilibrio (quella a cui la pompa fornisce tutto e solo il calore che l'edificio disperde) risulta compresa tra 0 °C e −5 °C.

Pompa di calore geotermica per condizionamento[modifica | modifica sorgente]

Exquisite-kfind.png Per approfondire, vedi Pompa di calore geotermica.

La pompa di calore geotermica utilizza il terreno o l'acqua che si trova nel terreno come fonte o come dispersore di calore. Il trasporto dell'energia termica è effettuato mediante la stessa acqua o mediante un liquido antigelo, eccetto nelle pompe di calore a espansione diretta, in cui si usa un fluido refrigerante che circola nello scambiatore posto nel terreno.

A differenza delle pompe di calore ad aria, quelle geotermiche possono funzionare in raffreddamento anche in modalità passiva: esse estraggono calore dall'edificio pompando nel sistema l'acqua fredda o il liquido antigelo, senza l'azione della pompa di calore vera e propria.

Il sistema di tubazioni che percorre il terreno può essere aperto o chiuso. Nel sistema aperto si estrae l'acqua da una falda sotterranea, la si porta fino allo scambiatore di calore e quindi la si scarica in un corso d'acqua, di nuovo nella medesima falda o in un bacino appositamente costruito (e che permetta la rifiltrazione verso il terreno). Nel sistema chiuso il calore è intercettato dal terreno per mezzo di una tubazione continua sotterrata, con al suo interno un fluido refrigerante (per le pompe a espansione diretta) o liquido antigelo mantenuto a bassa temperatura e pressurizzato.

Il ciclo di riscaldamento[modifica | modifica sorgente]

Nelle pompe di calore a espansione diretta il fluido refrigerante raccoglie il calore dal sottosuolo e quindi entra direttamente nel compressore. Nelle pompe di calore che usano l'acqua o un liquido antigelo si ha una cessione di calore intermedia (dai liquidi detti prima al fluido refrigerante) in un primo scambiatore di calore.

In seguito il ciclo prosegue come nelle pompe di calore ad aria.

Il ciclo di raffreddamento[modifica | modifica sorgente]

A differenza delle pompe di calore ad aria, non è necessaria l'operazione di sbrinamento, in quanto la temperatura nel sottosuolo è molto più stabile e il compressore è sistemato all'interno dell'edificio.

Rendimento[modifica | modifica sorgente]

Le pompe di calore geotermiche funzionanti con acqua sotterranea o a sistema aperto hanno un COP variabile da 3,6 a 5,2 e un EER tra 3,4 e 5,0; quelle con circuito chiuso hanno un COP tra 3,1 e 4,9, mentre EER tra 2,9 e 4,5.

Dimensionamento[modifica | modifica sorgente]

Come per le pompe di calore ad aria, non è conveniente dimensionare la pompa geotermica per soddisfare tutte le richieste di energia termica di un edificio; conviene dimensionarla per il 60-70% del massimo carico (somma dell'energia termica per riscaldare l'intero edificio e l'acqua calda richiesta dalle utenze), lasciando a un sistema supplementare le richieste occasionali. Così facendo, la pompa viene a fornire il 95% della totale energia termica utilizzata.

La necessità di acqua dal terreno per una pompa di 10 kW è tra 0,45 l/s e 0,75 l/s.

Sistema a circuito chiuso[modifica | modifica sorgente]

Quando gli spazi sono ristretti, la tubazione è posta verticalmente, in fori di 150 mm (più stretti invece per il sistema a espansione diretta), a una profondità tra i 18 e i 60 m. Di solito sono necessari tra gli 80 e i 110 m di tubazione ogni 3,5 kW di capacità della pompa.
Quando gli spazi sono maggiori, la tubazione è posta orizzontalmente a una profondità compresa tra 1 e 1,8 m. Di solito sono necessari tra i 120 e i 180 m di tubazione ogni 3,5 kW di capacità della pompa.

La tubazione, a parte nel caso dell'espansione diretta in cui è di rame, conviene sia di polietilene o polibutilene serie 100, con i giunti saldati termicamente, così che la durata possa essere tra i 25 e i 75 anni; sempre che il contatto col terreno sia accurato, questi materiali assicurano una buona conduzione termica.

Considerazioni sull'installazione[modifica | modifica sorgente]

Il costo di installazione può essere fino a 2 volte maggiore di quello di una caldaia tradizionale e dovrebbe essere recuperato, grazie ai risparmi energetici, in un tempo attorno ai 5 anni per essere economicamente attraente. Si tenga presente che le pompe geotermiche permettono mediamente un risparmio del 40% di energia rispetto a quelle ad aria ed hanno un'aspettativa di vita di circa 20/25 anni (maggiore rispetto a quelle ad aria in quanto il compressore è sottoposto a minori sollecitazioni meccaniche ed è protetto dall'ambiente).

Voci correlate[modifica | modifica sorgente]

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Collegamenti esterni[modifica | modifica sorgente]