Pompe di Calore: Principio di Funzionamento e Tecnologie Disponibili

Introduzione

Le pompe di calore sono dei dispositivi per la climatizzazione della casa, che sono in grado di estrarre calore da una sorgente a temperatura più fredda, per trasferirlo ad un ambiente che si trovi a temperatura più calda, aumentandone ulteriormente la temperatura. Nel caso delle pompe reversibili, queste nei periodi caldi possono anche realizzare il raffrescamento della casa (climatizzazione estiva), prelevando il calore dalla casa medesima e trasferendolo all’esterno, in maniera simile a quanto fatto da un frigorifero, sebbene con volumi e temperature diverse. Entrambe le operazioni (riscaldamento e raffrescamento) avvengono nel verso contrario a quello naturale del flusso di calore, che tenderebbe a trasferirsi dalla sorgente più calda a quella più fredda. Questa è la ragione per cui tali pompe richiedono la realizzazione di un lavoro da parte di una macchina, cui è associato un dispendio di energia, che sia di tipo elettrico o termico (gas). Esistono infatti pompe di calore a compressione, alimentate a elettricità o gas e pompe di calore ad assorbimento, alimentate a gas.

 

Il ciclo termodinamico

Schema di funzionamento di una pompa di calore a compressione. Fonte immagine wikipedia, licenza CC BY-SA 3.0.

Il ciclo termodinamico di una pompa di calore può essere suddiviso in quattro step.

Nel primo step, il fluido termovettore, che si trova a bassa temperatura e pressione e che ha caratteristiche tali da evaporare a basse temperature, attraversa l’evaporatore, in corrispondenza del quale è posto a contatto con la sorgente da cui estrarre calore (ad esempio, l’aria del giardino). La sorgente di calore ha infatti una temperatura sufficiente per far evaporare il fluido, evaporazione che permette di prelevare calore dalla sorgente.

Nel secondo step, nel caso delle pompe di calore elettriche, il fluido viene messo in pressione dal compressore, che determina un aumento della pressione e della temperatura. Nel caso delle pompe di calore ad assorbimento, la stessa funzione è esercitata dalla fiamma ottenuta dalla combustione del gas naturale con cui viene alimentata la pompa di calore.

Nel terzo step, il fluido termovettore attraversa il condensatore, dove appunto condensa, ovverosia passa nuovamente dallo stato di gas a quello di liquido, cedendo energia all’ambiente riscaldandolo.

Per finire, nel quarto step, il fluido termovettore attraversa una valvola di espansione, che determina un calo della pressione e quindi della temperatura, rendendolo disponibile per assorbire nuovamente calore dalla sorgente tramite lo step 1. Può così avere inizio un nuovo ciclo di riscaldamento.

L’aumento della temperatura associato alla compressione del gas termovettore e il suo calo a seguito dell’espansione nella valvola di espansione sono riconducibili al fenomeno fisico noto come effetto Joule – Thomson.

Tipi di pompe di calore: come applicare il ciclo termodinamico teorico

Le pompe di calore si possono distinguere in base alla sorgente del calore e in base al “pozzo” accettore del calore, ovverosia al fluido o gas termovettore tramite cui vengono riscaldate le stanze della casa e viene riscaldata l’acqua calda sanitaria. In particolare, la sorgente del calore può essere rappresentata dall’aria, dall’acqua o dal terreno, mentre il pozzo accettore può essere rappresentato dall’aria o dall’acqua. Inoltre la sorgente di calore si trova tipicamente all’esterno della casa, mentre il pozzo è al suo interno, questa è la ragione per cui le pompe di calore si compongono di una unità interna e di una unità esterna.

Sorgente = aria. Per quanto riguarda la sorgente di calore, l’aria ha il vantaggio di essere una fonte di calore facilmente accessibile. Per contro, essa ha lo svantaggio di essere soggetta a variazioni di temperatura importanti, cosa che tende a ridurre l’efficienza della nostra pompa di calore quando le temperature si abbassano eccessivamente e che, nel caso in cui il pozzo sia rappresentato dall’aria (pompe di calore aria – aria), comportano anche il rischio di brinamento. Per ovviare a questa limitazione, alcune soluzioni prevedono di utilizzare come fonte di calore l’aria estratta dai locali, ad esempio quando si dispone di un sistema di ventilazione meccanica controllata, altre invece prevedono l’attivazione di un apposito sistema di sbrinamento.

Sorgente = acqua. Avere come sorgente fredda l’acqua di lago, di mare, di fiume o di falda ha il vantaggio di poter trattare con una sorgente che subisce variazioni di temperatura più piccole nel corso dell’inverno e che tendenzialmente presenta temperature relativamente più elevate rispetto all’aria. Allo stesso tempo, questa soluzione comporta la necessità di realizzare opere di prelievo e scarico dell’acqua soggette a vincoli di legge.

Sorgente = terreno. Gli impianti a pompa di calore che utilizzano come sorgente il terreno sono anche noti come impianti geotermici a bassa entalpia. In modo simile all’acqua, anche il terreno ha il vantaggio di mantenere una temperatura pressoché costante nel tempo. Infatti, sotto ai 10 m di profondità la temperatura del suolo è compresa fra i 12° C e i 15° C, il che consente a questi impianti di lavorare senza problemi per soddisfare l’intero fabbisogno di riscaldamento della casa, specie se ben dimensionati e se abbinati a pannelli radianti a pavimento o a ventilconvettori. Per maggiori informazioni su queste pompe di calore, potete andare qui.

Per quanto riguarda il sistema utilizzato per trasferire il calore alle stanze della casa e all’acqua sanitaria domestica, possiamo avere come “pozzo” l’aria o l’acqua. La prima soluzione si ha ad esempio quando il riscaldamento della casa avviene tramite ventilconvettori o termoconvettori, mentre la seconda soluzione si ha quando il riscaldamento avviene tramite termosifoni o pannelli radianti (vedi la pagina sui corpi scaldanti). Dalla combinazione delle diverse possibili soluzioni di sorgente e pozzo sopra descritte, si possono avere le seguenti pompe di calore, dove la prima voce indica la sorgente e la seconda voce il pozzo:

  • aria – aria;
  • aria – acqua;
  • acqua – aria;
  • acqua – acqua;
  • terra – aria;
  • terra – acqua;

Nel nostro sito, ci concentreremo sulle pompe di calore aria – aria e su quelle aria – acqua.

COME APPLICARE IL CICLO TERMODINAMICO. Ma come viene applicato allora nella pratica il ciclo termodinamico teorico di cui abbiamo parlato poco sopra? Cerchiamo di capirlo descrivendo le pompe di calore aria – aria e le pompe di calore aria – acqua.

Esempio di unità esterna di una pompa di calore aria – aria o aria -acqua

Pompa di calore aria – aria. Generalmente queste sono costituite da due unità separate, una esterna e una interna, collegate tra loro tramite delle tubazioni all’interno delle quali scorre il fluido termovettore e la maggior parte di esse è reversibile, ovverosia può riscaldare la casa in inverno e raffrescarla in estate. Sono le più semplici da installare e per questo sono anche le più economiche. Per contro, possono diminuire di molto le propria efficienza al diminuire della temperatura e dell’umidità dell’aria utilizzata come fonte di calore. L’unità esterna comprende il compressore e lo scambiatore di calore, che in inverno opera come evaporatore e in estate opera come condensatore. Inoltre l’unità esterna contiene anche la ventola e la valvola necessaria per invertire il ciclo caldo-freddo, che viene attivata anche durante le operazioni di sbrinamento. Può essere messa nel terrazzo oppure fissata alle pareti, a seconda dello spazio disponibile.

L’unità interna invece può essere rappresentata da ventilconvettori o termoconvettori (vedi la pagina sui corpi scaldanti), al cui interno il fluido termovettore scorre attraverso un particolare scambiatore di calore (che può lavorare come condensatore d’inverno o come evaporatore d’estate), generalmente chiamato batteria, dove cede calore all’ambiente per effetto dell’azione di un ventilatore. L’unità interna tipicamente viene installata a parete o a controsoffitto. Le pompe di calore aria – aria si distinguono in monosplit o multisplit, a seconda che abbiano come unità interna un unico ventilconvettore o più ventilconvettori. Il primo caso è adottato nei piccoli locali, dove la taglia delle pompe di calore arriva in genere a 2 kW, il secondo è impiegato per il riscaldamento o raffrescamento di due o più locali, tramite due o più ventilconvettori, con taglie della pompa di calore che arrivano fino a 20 kWe. Con le pompe di calore aria – aria non è possibile produrre acqua calda sanitaria.

Pompa di calore aria – acqua. Le pompe di calore aria – acqua possono essere utilizzate sia per riscaldare e raffrescare gli ambienti, sia per la produzione di acqua calda sanitaria. Anche queste pompe sono costituite da un’unità esterna e una interna, dove quella interna opera come una caldaia. Proprio per queste ragioni, le pompe di calore aria – acqua hanno in genere una taglia maggiore rispetto a quelle aria – aria e sono un po’ più costose. Considerato come la sorgente esterna è sempre l’aria, anche in questo caso le basse temperature e l’umidità rappresentano una criticità molto grande nel determinare l’efficienza della pompa di calore.