Pompe di calore

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Caratteristiche

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

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).

Facciamo un piccolo esempio pratico. Immaginiamo 100 unità di energia termica all'interno di un pallone. Questo viene compresso fino a raggiungere le dimensioni di una pallina da ping pong. Questa pallina, contiene le stesse unità di energia, ma l'energia termica per unità di volume è maggiore e la temperatura dell'aria all'interno della pallina è aumentata.
Le pareti della pallina si riscaldano e quindi il calore, inizia 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 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 calore, nel momento in cui torna alle dimensioni di un pallone, la sua temperatura è troppo bassa e quindi inizia ad assorbire energia termica, raffreddando l'aria circostante.

Il compressore di una pompa di calore crea proprio la differenza di pressione che permette il ciclo (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.

 

Rendimento

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Quando si confrontano le prestazioni di pompe di calore, è meglio evitare il termine "rendimento", in quanto esso ha differenti significati, ma conviene parlare di resa. La resa è espressa dal coefficiente di prestazione, COP, 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 a 3 indica che per ogni kWh di energia elettrica consumato, la pompa di calore fornisce calore pari a 3 kWh.

Quando usata per scaldare 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).
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, in condizioni ideali, dato ad una pompa di calore muove più di 1 J di energia termica da un luogo freddo a uno caldo.
A volte questo concetto è espresso dai venditori di pompe di calore con la dichiarazione di un rendimento maggiore del 100%, ma questa espressione è scorretta, in quanto quell'energia non produce calore, ma lo muove.

Nel caso di una "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, il rendimento teorico 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.

Nel caso di una "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, il rendimento teorico 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.

Il processo della pompa di calore non viola né la prima legge della termodinamica, perché ci vuole meno energia per muovere il calore che per produrlo, né la seconda legge della termodinamica, perché il lavoro richiesto per muovere 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 (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. Se la pompa di calore è all'esterno e l'evaporatore non è riparato, è possibile che il COP scenda e sia inferiore a 1 e che l'umidità dell'aria tenda a ghiacciarsi sulle alette del dispositivo (con obbligo di periodico scongelamento). In altre parole, quando fuori fa molto freddo, conviene produrre calore all'interno con una stufetta piuttosto che prenderlo dall'esterno.

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.

Questo è il motivo per cui la porta del frigorifero aperta in una giornata estiva fa scaldare la cucina: infatti il calore assorbito dallo scomparto freddo è riversato nel condensatore, aumentato dell'energia elettrica dissipata 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 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 Qè la quantità di calore estratta da una riserva Tfredda alla temperatura e Qcaldo è la quantità di calore distribuita ad una riserva Tcalda alla temperatura.

Le pompe di calore commerciali sono in rapido sviluppo: il COP è cresciuto negli ultimi 5 anni da 3 a 4 e, in alcuni casi, a 5. Di conseguenza stanno diventando una valida scelta per il riscaldamento domestico.
Qui 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% dell'energia termica 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 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.

Il COP di una pompa di calore che sfrutta il sottosuolo (di solito l'acqua sotterranea), che rimane a una temperatura relativamente costante durante l'anno ad una profondità di 2,5 m, è maggiore di quello della pompa che sfrutta l'aria ed è costante durante l'anno; in compenso la sua installazione è più difficoltosa e costosa.

Le pompe di calore sono sempre più utilizzate per riscaldare le piscine e l'acqua per usi domestici.