Pompa di calore

Che cos'è

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. Può essere pertanto utilizzata sia per il condizionamento degli edifici che per la preparazione di acqua calda sanitaria e può essere una valida alternativa ai sistemi di climatizzazione tradizionali come le caldaie (a gasolio o a gas) o i condizionatori elettrici. Il processo che avviene nella pompa di calore è inverso rispetto a quello che avviene spontaneamente in natura ed è possibile grazie ad un'energia aggiuntiva fornita al dispositivo che gli permette di “pompare il calore".Concettualmente può essere paragonata ad una pompa idraulica posta tra due bacini a quote diverse collegati tra loro: l'acqua scorrerà naturalmente dal bacino più alto a quello più basso, ma tramite un sistema di pompaggio è possibile riportare l'acqua dal bacino più basso a quello più alto.

Il mezzo esterno da cui la pompa estrae il calore è detto sorgente fredda. Le principali sorgenti fredde, di norma a temperature troppo basse per essere utilizzabili direttamente per il riscaldamento, sono aria, acqua e terreno. Il fluido vettore da scaldare è detto pozzo caldo; è costituito da aria o acqua a cui viene ceduto il calore prodotto.

Il ciclo termodinamico

  Il principio di funzionamento di una pompa di calore si basa sul ciclo termodinamico chiamato “ciclo frigorifero”, o “ciclo motore inverso”, analogo a quello che sta alla base di un comune frigorifero. La pompa di calore è costituita da un circuito chiuso percorso da uno speciale fluido (frigorigeno) che, a seconda delle condizioni di temperatura e di pressione in cui si trova, assume lo stato liquido o di vapore.una volta il fluido refrigerante era costituito da ammoniaca o da CFC, i clorofluorocarburi, detti più comunemente “freon”, composti appartenenti alla famiglia degli alogenuri alchilici, gas derivati dal metano e dall'etano per sostituzione degli atomi di idrogeno con atomi di alogeni (cloro, fluoro, bromo). L'impiego dei CFC e degli HCFC (idroclorofluorocarburi) è stato abbandonato perché questi composti sono stati dichiarati responsabili della degradazione dello strato di ozono nell'alta atmosfera (c.d. "buco nell'ozono").Attualmente sono utilizzati gli HFC (idrofluorocarburi), totalmente privi di cloro e quindi non pericolosi per quanto riguarda l'ozono. Bisogna però sottolineare che tutti i fluidi che contengono carbonio (HFC e anche i cosiddetti fluidi ecologici quali l'R410a) contribuiscono all'effetto serra. Questi composti HCFC, contenenti almeno un atomo di idrogeno, sono inoltre più tossici rispetto agli omologhi CFC. In fasi successive esso subisce:1) una compressione, che avviene somministrando energia dall'esterno, durante la quale il fluido refrigerante allo stato gassoso aumenta di pressione e temperatura2) una condensazione: il fluido refrigerante attraversa uno scambiatore di calore o condensatore e cede il calore assorbito (per citare un esempio concreto noto a tutti, basta pensare alla serpentina dei frigoriferi posta all'esterno dell'elettrodomestico) passando dallo stato di vapore a quello di liquido. 3) un'espansione: il fluido refrigerante, liquido e in pressione, attraversa una valvola che lo introduce in una camera di espansione (processo di laminazione) in cui subisce una riduzione di pressione e di temperatura.4) un'evaporazione: in questa fase il fluido passa dallo stato liquido a quello di vapore, prelevando energia dalla sorgente termica fredda (riprendendo l'esempio di cui al punto 2, la serpentina posta all'interno di un frigorifero).A questo punto, il ciclo sopra descritto ricomincia.

A seconda delle combinazioni delle sorgenti fredde disponibili e del pozzo caldo (acqua o aria) si possono avere pompe di calore: aria-aria, aria-acqua, acqua-aria, acqua-acqua, terra-aria e terra-acqua.

Le sorgenti fredde 

Le principali sorgenti fredde sono:

1) L'ARIA

• ­esterna al locale da riscaldare (tipicamente l'aria dell'ambiente esterno)
• estratta dal locale stesso in cui e' installata la pompa di calore.

Essendo l'aria disponibile ovunque ne consegue che va considerata come la sorgente fredda maggiormente utilizzata. Per tali motivi, le pompe di calore aria-acqua ed aria-aria sono quelle più diffuse.

La potenza resa da una pompa di calore diminuisce con la riduzione di temperatura della sorgente fredda. Nel caso si utilizzi l'aria esterna con temperature basse (intorno a 0°C), è tuttavia necessario adottare un sistema di sbrinamento che comporta un ulteriore consumo d'energia elettrica. La pompa di calore ad aria può quindi rimpiazzare completamente ed in maniera economicamente conveniente la tradizionale caldaia solo nelle zone climatiche nelle quali la temperatura esterna non scenda, per lunghi periodi, al di sotto di 4-5 °C.Come sorgente fredda è anche possibile utilizzare l'aria "viziata" estratta dai locali riscaldati e che, avendo temperature intorno ai 20°C, permette alla pompa di calore di lavorare con ottime prestazioni durante tutto l'anno. In questo tipo di utilizzi è possibile integrare scambiatori per il recupero diretto del calore, sistemi per la regolazione del ricambio automatico dell'aria, dispositivi di trattamento dell'umidità, eccetera. Questi sistemi sono generalmente installati in ristoranti, sale conferenze, cinema, alberghi, palestre, etc.

2) L'ACQUA

In generale:­        

• di falda, di fiume, di lago, quando questa è presente in prossimità dei locali da riscaldare e a profondità non eccessiva        
• accumulata in serbatoi e riscaldata dalla radiazione solare.

L'acqua, come sorgente fredda, garantisce ottime prestazioni della pompa di calore, risentendo meno delle condizioni climatiche esterne rispetto all'aria, ma il suo utilizzo può richiedere un costo addizionale dovuto al sistema d'adduzione.

3) IL TERRENO

Il calore immagazzinato nel terreno può essere estratto secondo due modalità :

a) attraverso sonde orizzontali

La temperatura del terreno mantiene una temperatura pressoché costante e risente solo negli strati superficiali delle condizioni climatiche esterne, subendo quindi minori sbalzi di temperatura rispetto all'aria. Le tubazioni orizzontali vanno quindi  interrate ad una profondità minima da 1 a 1,5 m per non risentire troppo delle variazioni di temperatura dell'aria esterna e per mantenere i benefici effetti dell'insolazione. È necessaria un'estensione di terreno (per lo sviluppo dei fasci tubieri) che è circa 2-3 volte superiore alla superficie dei locali da riscaldare. Questa soluzione e' però costosa sia per il terreno necessario sia per la complessità dell'impianto.

b) sonde geotermiche verticali

Questa tecnologia sfrutta il calore immagazzinato negli strati meno superficiali di terreno e nelle rocce presenti nel sottosuolo che rimangono a temperatura praticamente costante tutto l'anno. Viene quindi praticato un foro verticale nel terreno, che può raggiungere anche decine di metri di profondità e viene inserita una sonda geotermica costituita da tubi in materiale plastico al cui interno viene fatto circolare un fluido refrigerante che assorbe il calore del terreno.Tale sistema ha il vantaggio di occupare poco spazio e di essere utilizzabile anche su piccoli appezzamenti. Il calore può sia essere trasferito ad un sistema di riscaldamento tradizionale sia essere utilizzato per produrre acqua calda.

Altri tipi di pozzi freddi

La combinazione della pompa di calore con impianti solari può ugualmente essere molto interessante, soprattutto se applicata alla produzione di acqua calda sanitaria.L'applicazione della pompa di calore in combinazione con prestazioni di raffreddamento (p. es. per climatizzazione o per raffreddamento di celle frigorifere, piste di pattinaggio, eccetera) permette, con una sola macchina, si svolgere due compiti, risparmiando sui costi d'investimento rispetto alla soluzione tradizionale che prevede caldaia e raffreddatore separati.Naturalmente le pompe di calore possono essere installate ovunque ci sia un recupero di calore disponibile, per esempio in impianti industriali, in processi chimici, stabilimenti alimentari, macchine utensili, eccetera.

Il pozzo caldo

Le prestazioni di una pompa di calore variano anche in funzione della temperatura del pozzo caldo.Per questo motivo è consigliabile adottare sistemi di distribuzione del calore funzionanti a temperature basse in modo da avere delle differenze di temperatura minime, tra pozzo caldo e freddo. L'attuale tecnologia impiantistica, indipendentemente dall'uso di pompe di calore, tende ad abbassare la temperatura del circuito di distribuzione in modo da aumentare il comfort termico di chi si trova nel locale.Il calore può essere ceduto all'ambiente mediante:­         corpi riscaldanti come radiatori ventilatori-convettori previsti per funzionare a temperature massime di 45-50°C­         serpentine che possono essere inserite nel pavimento, nelle pareti o in appositi controsoffitti ­         canalizzazioni per il trasferimento del calore ai diversi locali (nel caso di distribuzione mediante aria).

La prestazione di una pompa di calore.

Si può definire attraverso due parametri: il COP e il GUE.

1) Il COP

L'efficienza di una pompa di calore e' misurata dal coefficiente di prestazione "COP", dato dal rapporto tra energia elettrica resa (calore ceduto al mezzo da riscaldare) ed energia consumata. Un valore del COP pari a 3 significa che per 1 kWh di energia elettrica consumato, la pompa di calore renderà 3 kWh d'energia termica all'ambiente da riscaldare; uno di questi fornito dall'energia elettrica consumata mentre gli altri due vengono prelevati dall'ambiente esterno. Tenendo conto della gratuità dell'energia prelevata dall'ambiente esterno possiamo dire che l'efficienza della pompa di calore è del 300 %. In realtà, per una valutazione più corretta, occorre considerare anche l'energia primaria necessaria a produrre il chilowattora consumato dalla pompa, tenendo conto dei rendimenti della catena di produzione, trasporto e distribuzione dell'energia elettrica. Questa energia, infatti, proviene in gran parte da fonti fossili e da importazioni di energia elettrica dall'estero.Si può dire, comunque, che la pompa di calore dà la possibilità di avere dei rendimenti complessivi medi stagionali compresi tra il 110 ed il 140%, mentre l'attuale parco caldaie presenta rendimenti di produzione medi stagionali inferiori all'80%.Il COPdi una pompa di calore dipende da diversi fattori:-dalla tipologia e dal modello utilizzato;-dalle condizioni climatiche del luogo di installazione;-dalle modalità di funzionamento dell'impianto.Il COP risulta in ogni caso tanto maggiore quanto più bassa e' la differenza di temperatura tra l'ambiente da riscaldare e la sorgente di calore naturale utilizzata. Il COP che viene riportato nei dati tecnici delle pompe di calore fa riferimento all'energia elettrica assorbita e include il consumo dei ventilatori e dell'energia elettrica necessaria al pompaggio dei fluidi attraverso gli scambiatori di calore, il tutto in condizioni medie di funzionamento.I valori riportati qui di seguito indicano (in base alla norma EN255) dei valori di riferimento in funzione alle diverse tipologie di pompa di calore:

a) aria-acqua (con presa d'aria a 2°C e fornitura d'acqua a 35°C) COP = 3

b) a sonda geotermica (terra-acqua) (con sonda a 0°C e fornitura d'acqua a 35°C) COP = 4

c) acqua-acqua (con acqua di prelievo del calore a 10°C e fornitura d'acqua a 35°C) COP = 4.52)

IL GUE

L'efficienza di una pompa di calore a gas è misurata dal valore di efficienza di utilizzazione del gas "G.U.E." (Gas Utilization Efficienty), che è il rapporto tra l'energia fornita (calore ceduto al mezzo da riscaldare) e energia consumata dal bruciatore.Il G.U.E. è variabile sia in funzione del tipo di pompa di calore sia delle condizioni climatiche e di quelle di funzionamento. Assume, in genere, valori pari a circa 1,5. Questo vuol dire che, per 1 kWh di gas consumato, la pompa fornirà 1,5 kWh di calore al mezzo da riscaldare. La pompa di calore a gas può funzionare fino a temperature dell'aria di -20°C, con un'efficienza intorno a 1, paragonabile a quella di una caldaia a condensazione.Il funzionamento delle pompe di calore ad assorbimento a gas è del tutto analogo a quello delle pompe di calore elettriche ma, invece di basarsi su di un ciclo frigorifero a compressione utilizzano un ciclo frigorifero ad assorbimento, in cui si sfrutta il calore di dissoluzione di un soluto in un solvente (generalmente acqua) che viene ciclicamente concentrato e diluito. Come soluto, di norma, viene utilizzato il bromuro di litio o ammoniaca.La soluzione liquida del fluido frigorigeno ed assorbente viene riscaldata nel generatore per mezzo di un bruciatore a gas, separando il fluido refrigerante, che evapora aumentando di temperatura e di pressione.

Le pompe a ciclo invertibile o reversibile

Una pompa di calore si dice "reversibile" quando è utilizzabile sia per riscaldare che per raffrescare un ambiente. Attualmente esse rappresentano la quasi totalità delle pompe di calore. Con il loro utilizzo uno stesso ambiente confinato può essere considerato sia come sorgente fredda (e quindi si asporta calore dal suo interno) sia come pozzo caldo (pompa di calore a ciclo invertibile). Sono quindi utilizzabili tanto in estate che in inverno e rappresentano il sistema da prediligere quando si intende provvedere anche al condizionamento estivo. Una pompa di calore a ciclo invertibile ha una capacità di raffrescamento di poco inferiore a quella del riscaldamento. Il dimensionamento dell'impianto di climatizzazione va fatto, in generale, sulle esigenze di raffrescamento.