La pompa di calore: le caratteristiche e le unità interne ed esterne
La pompa di calore è un dispositivo che rientra tra le tecnologie per l'efficienza energetica di un immobile e che quindi permettono di ridurre i consumi energetici sia per quanto riguarda il riscaldamento degli ambienti che il loro raffreddamento. È dotata di un'alimentazione elettrica o a gas a seconda del modello, ma di fatto impiega l'energia rinnovabile per sostenere l'impianto: infatti la macchina preleva il calore dalla sorgente fredda (cioè una sorgente esterna) e la trasferisce a un pozzo caldo. Per questo viene detta appunto pompa di calore. Il passaggio di calore è fatto verso l'acqua del sistema di riscaldamento che alimenta i termosifoni oppure verso l'aria dell'ambiente da climatizzare. I modelli si dividono in macchine aria-aria, aria-acqua, terreno-acqua e acqua-acqua: le prime due prelevano il calore dall'aria esterna, mentre le ultime due dal terreno o dall’acqua usando una sonda geotermica.
Il funzionamento di una pompa di calore e la trasmissione di calore
La pompa di calore trasferisce l'energia termica dalla fonte con la temperatura più bassa a quella con la temperatura più alta. Il suo ciclo assomiglia a quello di un pallone riempito con aria calda che si espande e si contrae sotto l'azione di una compressione: infatti quando viene compresso finisce per contenere la stessa quantità di energia, ma il rapporto tra unità di energia termica e unità di volume aumenta e, di conseguenza, aumenta anche la temperatura all'interno. Le pareti del contenitore iniziano a scaldarsi e quindi il calore si trasmette all'esterno. Se l'ambiente in cui si trova la palla è più freddo, le due temperature finiranno per uguagliarsi a causa della trasmissione di calore: una volta raffreddata, la palla viene riportata in un luogo caldo e lasciata espandere di nuovo, assorbendo il calore dall'ambiente e quindi raffreddandolo. Allo stesso modo la pompa di calore ha un compressore che crea una differenza di pressione grazie a cui si aspira un fluido refrigerante e lo si fa evaporare per assorbire il calore. Quindi, il fluido condensa all'interno del condensatore e rilascia il calore assorbito.
Gli indici di resa di una pompa di calore
La trasmissione di calore avviene attraverso il movimento del fluido all'interno della macchina, che ricomincia il suo ciclo una volta rientrato nell'evaporatore. Il cambio di stato avviene per due volte all'interno di due differenti scambiatori (da liquido a gassoso e da gassoso a liquido). Quando si parla di pompe di calore, si usa il termine resa: infatti le macchine non producono calore ma si limitano a muoverlo. Si tratta del COP, coefficiente di prestazione e si ottiene dividendo la quantità di energia che viene ceduta alla sorgente e il consumo energetico della macchina. Ad esempio, se il COP è 3, la pompa di calore fornisce 3 kWh di calore per ogni kWh d'elettricità. Se si abita in una regione dal clima mite, è sufficiente adottare una pompa di calore il cui COP parte da 3 per arrivare a 4. Tanto per fare un confronto, il COP di una classica stufetta elettrica è 1.
I vari tipi di pompe di calore e il raffreddamento
Esistono diversi tipi di pompe di calore e la loro classificazione avviene in base alla loro applicazione: ad esempio vi sono le macchine refrigeratrici, le pompe di calore a scambio geotermico, i condizionatori d'aria e le pompe di calore ad assorbimento. Per quanto riguarda il condizionamento dell'aria, una pompa di calore è un condizionatore d'aria dotato di una valvola reversibile il cui compito è permettere al fluido refrigerante di scorrere sia in una direzione che nell'altra. In questo modo la macchina cede calore alla stanza oppure lo estrae a seconda della modalità di funzionamento. Tuttavia si deve tenere a mente che l'efficacia della pompa di calore è maggiore nel riscaldamento, motivo per cui il calcolo del COP per il riscaldamento è differente da quello per il raffreddamento. Infine è ovvio che in climi molto freddi sarà necessaria una quantità più grande di energia elettrica per riscaldare efficacemente gli ambienti in quanto la macchina dovrà spostare maggior calore.
Il funzionamento e le caratteristiche della pompa di calore ad aria
In genere una pompa di calore ad acqua sfrutta una falda sotterranea posizionata a 2,5 metri circa di profondità e dotata di una temperatura costante. Ha un CPO maggiore e costante rispetto a una pompa ad aria: tuttavia la sua installazione è più costosa e comporta maggiori difficoltà. La pompa aria-aria è quella più diffusa: in estate assorbe calore dalla casa e la espelle all'esterno, in inverno estrae calore dall'aria e lo cede agli ambienti interni. Questi modelli si dividono in macchine bivalenti, cioè usano un riscaldatore a propano per aumentare la temperatura dell'aria messa in circolo, pompe con riscaldatore supplementare e impianti che lavorano insieme a un altro sistema di riscaldamento (ad esempio una caldaia). La pompa di calore lavora su grandi quantità d'aria e le porta a una temperatura variabile dai 25 ai 45°C; in più il suo ciclo di funzionamento opera per periodi più prolungati rispetto a quelli delle tradizionali caldaie.
Il dimensionamento di una pompa di calore ad aria o geotermica
La pompa di calore aria-acqua è meno impiegata e consente di cedere il calore all'acqua usata nel tradizionale impianto di riscaldamento. In genere una pompa di calore non risulta conveniente quando l'energia utilizzata per riscaldare l'edificio è di gran lunga superiore a quella usata per il suo raffreddamento: infatti la macchina opererebbe a pieno carico in inverno, mentre in estate il suo funzionamento sarebbe intermittente e con una resa molto inferiore. Il dimensionamento ideale della pompa permette di avere un buon rapporto tra i costi di alimentazione e le prestazioni sia in inverno che in estate. Così la macchina fornisce al massimo il 90% del carico invernale e il 125% di quello estivo. In questo modo il calore disperso è nullo o davvero minimo. Le pompe di calore geotermiche (che prelevano il calore dal terreno o dall'acqua) funzionano anche in modo passivo. Il loro dimensionamento ideale si aggira sul 60-70% del carico massimo dell' edificio ed è presente un sistema supplementare per soddisfare le maggiori richieste occasionali. Di conseguenza la pompa fornisce il 95% dell'energia termica necessaria.
