La pompa di calore è un dispositivo che consente di estrarre calore da una sorgente a bassa temperatura (sorgente fredda) e di pomparlo in un circuito chiuso percorso da uno speciale fluido ( frigogeno) che lo trasferisce in un ambiente a temperatura più alta (pozzo caldo) con un consumo ridotto di energia elettrica.

La pompa di calore consente cioè di produrre una quantità di energia superiore alla somma del calore prelevato all’esterno e dell’energia elettrica impiegata per il suo funzionamento.

Il D. Lgs. 192/05 definisce la pompa di calore come dispositivo o impianto che sottrae calore dall’ambiente esterno o da una sorgente di calore a bassa temperatura e lo trasferisce all’ambiente a temperatura controllata.

Funzionamento della pompa di calore

Il funzionamento della pompa di calore è comparabile a quello di un frigorifero che, invece di essere utilizzato per sottrarre calore ( cioè per raffreddare ciò che viene posto al suo interno), venga utilizzato per erogare calore, cioè per riscaldare un ambiente.

Il fluido frigogeno che circola nella pompa di calore durante il ciclo passa continuamente dallo stato liquido a quello gassoso in un evaporatore e da quello gassoso a quello liquido in un condensatore.

Pompa di calore

A secpnda della sorgente fredda dalla quale viene attinta l’energia e del fluido al quale essa viene trasferita, la pompa di calore può essere di uno dei seguenti tipi: aria-aria, aria-acqua, acqua-aria, acqua-acqua (il primo termine indica la sorgente fredda e ils econdo il pozzo caldo).

Il calore prodotto può essere ceduto all’ambiente attraverso ventilconvettori, serpentine o canalizzazioni. In un ciclo ideale (cioè privo di perdite energetiche) la pompa assorbe una quantità di calore dalla sorgente fredda e, utilizzando una quantità di energia E fornita da un compressore (generalmente azionato da un motore elettrico) trasferisce al pozzo caldo una quantità di calore equivalente.

Efficienza della pompa di calore

La convenienza della pompa di calore viene valutata attraverso il coefficiente di prestazione (COP), dato dal rapporto fra l’energia ottenuta, cioè il calore utile (calore ceduto al pozzo caldo) e l’energia elettrica spesa.

Il COP varia a secondo del tipo di pompa e delle condizioni di funzionamento e ha, in genere, valori prossimi a 3. Questo significa che per ogni kWh di energia elettrica consumato, la pompa fornisce 3 kWh (10800 J) di calore al mezzo da riscaldare.

Il coefficiente di prestazione è un parametro molto importante , se impostato bene ci permette di definire la prestazione energetica di un edificio.

Il ciclo termico della pompa di calore

Analizziamo, attraverso un esempio, la sequenza dei processi di trasformazione che avvengono durante un ciclo termico della pompa di calore.
Riferendoci alla figura 1, supponiamo che la pompa debba scaldare acqua a 50 °C prelevando calore dall’aria esterna, la cui temperatura varia tra +25 °C d’estate e +5 °C d’inverno, e consideriamo la condizione d’esercizio più gravosa (quella invernale).

Supponiamo inoltre che il fluido utilizzato sia quello com-mercialmente designato con la sigla R 12 che bolle o con-densa a 53 °C quando la sua pressione è di 13 bar e a –1 °C quando la sua pressione è di 3 bar. Questi valori della pres-sione si prestano bene all’uso dei normali compressori di serie, che forniscono buoni rendimenti.

Le caratteristiche iniziali del fluido nel punto A siano: pres-sione 3 bar, temperatura –1 °C, entalpia specifica 353 kJ/kg. Le varie fasi del ciclo sono evidenti nella figura 1.
I punti A-B-C-D corrispondono, sull’asse delle ordinate, a varie fasi della compressione, mentre sull’asse delle ascisse si leggono i corrispondenti valori dell’entalpia.

Compressione (da A a B)

Il gas compresso si scalda con aumento dell’entalpia di una quantità di poco inferiore all’energia assorbita dal compres-sore. All’uscita del compressore (punto B), le caratteristiche del gas saranno: pressione 13 bar, temperatura 100 °C, ental-pia (353 + 57) = 410 kJ/kg.

ciclo termico Certificazione energetica
Figura 1 Fasi del ciclo termico

Condensazione (da B a C)

Il gas entra nel condensatore posto nell’ambiente da riscaldare (acqua a 50 °C). Poiché il gas è più caldo, si raffredda cedendo calore e, quando la sua temperatura è scesa fino a 53 °C, comin-cia a condensare e all’uscita del condensatore (punto C) è com-pletamente liquido con le seguenti caratteristiche: pressione ancora di 13 bar, temperatura uguale a quella del condensatore, 50 °C, entalpia scesa a 248 kJ/kg. Il fluido ha dunque ceduto al-l’ambiente che deve scaldare (410 – 248) = 162 kJ/kg.

Espansione (da C a D)

Il liquido passa attraverso una valvola in un ambiente dove la pressione è di nuovo di soli 3 bar.
Espandendosi esso si raffredda e in parte evapora. All’in-gresso dell’evaporatore (punto D), esso è una miscela di li-quido e gas con queste caratteristiche: pressione ridotta a 3 bar, temperatura –1 °C.

Evaporazione (da D a A)

Ora il fluido entra nell’evaporatore posto nell’ambiente freddo, che ha comunque una temperatura (5 °C) superiore a quella del fluido. Perciò quest’ultimo assorbe calore e com-pleta la sua evaporazione. L’assorbimento di calore, che è di circa 105 kJ/kg, avviene senza alcuna spesa di energia ed è proprio questa la fase che giustifica il vantaggio economico di tutta l’operazione.

La pompa di calore a ciclo reversibile

Il grande pregio della pompa di calore è quello di poter essere costrutita in versione reversibile, in modo tale cioè che la stessa pompa che d’inverno fa passare calore dall’esterno a temperatura fredda all’interno caldo può, d’estate, trasferire calore dall’interno all’esterno per deumidificare e mantenere fresca la temperatura dei locali, realizzando così la climatizzazione integrale dell’ambiente nell’arco dell’anno.

Questo duplice impiego,invernale ed estivo, rappresenta il criterio di sfruttamento della pompa più conveniente per le seguenti ragioni:

  • si provvede al riscaldamento e al raffrescamento con un solo impianto, con notevole risparmio nella spesa iniziale e in quella per le manutenzioni;
  • lo stesso impianto funziona tutto l’anno (sia d’inverno che d’estate) e in questo modo i costi di acquisto e di installazione risultano meglio ammortizzati, perchè sono ripartiti su un periodo di funzionamento doppio.

La pompa di calore reversibile già nelle condizioni attuali risulta conveniente per le abitazioni ma, soprattutto , per i locali commerciali e industriali e lo sarà ancor di più quando una più larga diffusione consentirà di abbassarne i costi di produzione.

Caratteristiche della sorgente fredda di una pompa di calore

Per il funzionamento della pompa di calore è essenziale che la sorgente fredda sia illimitata, a temperatura costante e quanto più possibile economica.

Le principali sorgenti fredde sono:

  • l’aria, che ha il vantaggio di essere disponibile ovunque; si può utilizzare l’aria esterna al locale dov’è installata la pompa di calore, e in questo caso è necessario un sistema di sbrinamento che comporta un ulteriore consumo di energia, oppure l’aria interna di recupero da locali riscaldati;
  • l’acqua di falda ( che si trova normalmente a temperatura intorno ai 10 °C ), di fiume o di lago, che garantisce le prestazioni della pompa di calore senza risentire delle condizioni climatiche interne, ma richiede un impianto di adduzione che comporta un costo addizionale.

In condizioni particolari vengono utilizzate come sorgente fredda anche l’acqua riscaldata, impiegando collettori solari e un idoneo sistema di accumulo, e il terreno che, a una profondità di 2-3 metri, mantiene una temperatura costante; quest’ultima soluzione è però molto costosa, sia per l’estensione di terreno necessaria sia per la complessità dell’impianto.

Le pompe di calore possono essere impiegate per ottenere acqua calda per usi sanitari o per riscaldamento di ambienti utilizzando apparecchi funzionanti a media temperatura, oppure aria calda per il riscaldamento ambientale e l’essiccazione.

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