Pompe di Calore

Pompe di calore

La pompa di calore è una macchina in grado di trasferire calore da un corpo a temperatura più bassa ad un corpo a temperatura più alta, utilizzando energia, generalmente in forma elettrica.
Esempi comuni di macchine di questo tipo sono:

refrigeratori; condizionatori d'aria; pompa di calore a compressione di gas; 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 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 Principio di funzionamento di una pompa di calore: condensatore, valvola di espansione, evaporatore, 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 da calcio; quest'ultimo è poi compresso fino alle dimensioni di una pallina da ping pong: a questo punto esso contiene le stesse 100 unità, ma l'energia termica media per unità di volume è molto maggiore. In altre parole 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 più velocemente. 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 parecchio calore, nel momento in cui ritorna alle dimensioni di un pallone da calcio, la sua temperatura risulta troppo bassa e quindi inizia ad assorbire energia termica e a raffreddare l'aria circostante.

Il compressore di una pompa di calore crea proprio la differenza di pressione che permette al ciclo di ripetersi (similmente alla palla che si espande e si contrae): esso pompa il fluido refrigerante attraverso l'evaporatore, dove appunto evapora a bassa pressione assorbendo calore, in seguito lo comprime e lo spinge all'interno del condensatore, dove condensa ad alta pressione rilasciando il calore precedentemente assorbito. Il fluido refrigerante cambia di stato all'interno dei due radiatori: nell'evaporatore passa da liquido a gassoso, nel condensatore passa da gassoso a liquido.

Efficienza

Quando si confrontano le prestazioni di una pompa di calore, è meglio evitare il termine "efficienza", in quanto esso ha differenti significati. La resa di una pompa di calore è misurata dal coefficiente di prestazione, COP, dato dal 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, ad esempio, a 3 indica che per ogni kWh d'energia elettrica consumato, la pompa di calore renderà 3 kWh di calore.

Quando usata per scaldare con un clima mite, una tipica pompa di calore ha un COP da 3 a 4 (mediamente a 10 °C raggiunge 3,3, mentre a −8,3 °C si ferma a 2,3), mentre una classica stufetta elettrica ha un COP massimo teorico pari a 1. In altre parole 1 joule di energia elettrica permette alla stufetta di dare 1 J di calore, mentre, in condizioni ideali, permette ad una pompa di calore di muovere più di 1 J di energia termica da un luogo più freddo a uno più caldo. A volte questo concetto è espresso dai venditori di pompe di calore con la dichiarazione di un'efficienza maggiore del 100%, ma questa espressione non è corretta, in quanto quel lavoro non produce calore, ma lo muove.

Utilizzando come "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, si ottiene un rendimento teorico COP pari a 15, ovvero un rapporto 1:15 tra il lavoro delle resistenze elettriche e il calore ottenuto. Macchine simili sono molto efficienti, ma il loro costo d'impianto è particolarmente elevato.

Il processo della pompa di calore non viola la prima legge della termodinamica, perché ci vuole meno energia per muovere il calore che per produrlo, e nemmeno la seconda legge della termodinamica, perché il lavoro richiesto per muovere il 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 (e 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 all'interno. Se la pompa di calore è all'esterno e l'evaporatore non è riparato, è possibile che il COP scenda sotto 1 e che l'umidità dell'aria tenda a ghiacciarsi sulle alette del dispositivo (con conseguente obbligo di discioglierla periodicamente). In altre parole, quando fuori fa molto freddo, conviene creare calore all'interno con una stufetta elettrica piuttosto che cercare di portarlo dentro 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), migliori quanto più elevati. Il costruttore dichiara quindi sia il COP, sia l'EER (o l'SEER). In alcuni stati è richiesto un minimo valore del SEER: per esempio 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 spreca sempre una parte di energia in calore e questa può essere recuperata come calore di riscaldamento.

Questo è il motivo per cui lasciare aperta la porta del frigorifero in una calda giornata estiva porta a scaldare la cucina e non a raffreddarla: infatti il calore assorbito dallo scomparto freddo è riversato nel condensatore posto posteriormente ed aumentato della quota di energia elettrica sprecata 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 solo 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.

dove Qfreddo è la quantità di calore estratta da una riserva fredda alla temperatura Tfredda e Qcaldo è la quantità di calore distribuita ad una riserva calda alla temperatura Tcalda.

Le pompe di calore commerciali sono attualmente in rapido sviluppo: il COP è cresciuto negli ultimi 5 anni da 3 a 4 e, in alcuni casi, perfino a 5. Di conseguenza esse stanno diventando una valida scelta per il riscaldamento domestico, dove 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% del calore 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 all'esterno 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.

Considerata, invece, una pompa di calore che sfrutta il sottosuolo (di solito l'acqua sotterranea), che rimane a una temperatura relativamente costante durante l'anno sotto a una profondità di 2,5 m, il suo COP è maggiore rispetto alla pompa che sfrutta l'aria ed è costante durante l'anno; in compenso la sua installazione è più difficoltosa e più cara.

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 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

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

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 dell'efficienza 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 l'efficienza della macchina.

Dimensionamento

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 intermittentemente, con minore efficienza 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

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

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.

Efficienza

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

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.

Considerazioni sull'installazione

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).