Pompa di calore

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Unità esterna di una pompa di calore ad aria

 La pompa di calore (o termopompa) è una macchina termica in grado di trasferire energia termica da una sorgente a temperatura più bassa a una sorgente a temperatura più alta, utilizzando differenti forme di energia, generalmente meccanica.

Esempi comuni di macchine di questo tipo sono:

• refrigeratore;
• condizionatore d'aria;
• pompa di calore a compressione di gas;
• pompa di calore ad assorbimento;
• pompa di calore a cambiamento di fase;
• pompa di calore termoelettrica a effetto Peltier;
• pompa di calore a scambio geotermico;
• Vortex, detto anche tubo di Ranque-Hilsch.

Si noti che, nel campo di condizionamento dell'aria, il termine pompa di calore è specificamente riferito a 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

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 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. La temperatura dell'aria all'interno è aumentata perché il lavoro compiuto per la compressione, per esempio 100 unità, ha prodotto un incremento dell'energia termica. Nel caso ideale di compressione adiabatica, cioè senza scambi di calore con l'ambiente esterno, l'energia interna alla palla è ora 200 unità. In caso contrario sarà inferiore, comunque compresa tra 100 e 200 unità.

Le pareti della pallina si riscaldano e quindi il calore incomincia 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 varierà 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 comincia ad assorbire energia termica, raffreddando l'aria circostante.

Il compressore di una pompa di calore crea proprio la differenza di pressione che permette al ciclo di funzionare (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.^[2]

Rendimento

Quando si confrontano le prestazioni di pompe di calore, si evita l'utilizzo del termine "rendimento", poiché per definizione esso non può mai essere maggiore di 1. È preferibile l'utilizzo del termine "resa", che è espressa dal coefficiente di prestazione, "COP", rapporto tra energia resa (calore fornito alla sorgente di interesse) ed energia consumata (di solito elettrica, richiesta ad esempio, dal compressore), usualmente indicato in fisica tecnica come coefficiente di effetto utile. Un valore del COP (coefficient of performance) pari a 3 indica che per ogni kWh di energia elettrica consumata, la pompa di calore movimenta calore pari a 3 kWh da o verso la sorgente di interesse.^[1]

In funzione dell'effetto utile che interessa, è possibile definire un COP di riscaldamento e uno di raffreddamento:

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

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

dove ${\displaystyle Q_{\mathrm {freddo} }}$ è la quantità di calore estratta da un serbatoio freddo alla temperatura ${\displaystyle T_{\mathrm {fredda} }}$ e ${\displaystyle Q_{\mathrm {caldo} }}$ è la quantità di calore distribuita a un serbatoio caldo alla temperatura ${\displaystyle T_{\mathrm {calda} }}$.

In fase di raffreddamento la prestazione di una pompa di calore è descritta dall'"EER" (Energy Efficiency Ratio); 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. Nel caso ideale di macchina di Carnot a senso inverso (le si fornisce lavoro e si ottiene calore), tra sorgenti rispettivamente a 0 °C e 20 °C, il 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.

In un caso reale, 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).^[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 dato a una pompa di calore muove più di 1 J di energia termica da un luogo freddo a uno caldo.

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 crolla drasticamente quando la temperatura dell'aria esterna scende sotto a −5 °C/−10 °C.^[4] 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) è maggiore di quello della pompa che sfrutta l'aria, poiché il terreno presenta una temperatura abbastanza costante durante tutto l'anno; in compenso la sua installazione è più difficoltosa e costosa.^[5]

Applicazioni tipiche delle pompe di calore sono per riscaldare le piscine e l'acqua per usi domestici.

Pompa di calore ad aria per condizionamento

Evaporatore

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 idrica del calore (questa seconda soluzione è comunque più rara).^[6]

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

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 a 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 a operare per periodi più lunghi rispetto a una normale caldaia, che rilascia aria tra i 55 °C e i 60 °C.^[1]

La fase di raffreddamento

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

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 a intervalli di tempo prefissati;
• 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 le prestazioni stagionali della macchina.

Dimensionamento

Anche se la pompa di calore può fornire tutto il calore necessario a 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 COP 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.^[7]

Pompa di calore geotermica per condizionamento

Lo stesso argomento in dettaglio: 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 faldasotterranea, 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.^[8]

Il ciclo di riscaldamento

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

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

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.^[1]

Dimensionamento

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

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.^[9]

Considerazioni sull'installazione

Il costo di installazione può essere fino a due 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 e 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).

Pompa di calore elio-assistita

Lo stesso argomento in dettaglio: Pompa di calore elio-assistita.

La pompa di calore elio-assistita è un sistema integrato che vede l'utilizzo di una pompa di calore e di pannelli solari termici; normalmente queste due tecnologie vengono impiegate separatamente (o al più ponendole in parallelo) per produrre ACS (acqua calda sanitaria) e riscaldamento.^[10] In questo sistema il pannello solare termico svolge la funzione di fonte di calore a bassa temperatura e il calore prodotto viene utilizzato per alimentare l'evaporatore della pompa di calore.^[11] L'obbiettivo è quello di ottenere COP elevati e quindi produrre energia in modo più efficiente e meno costoso.