Pompa di calore

Una pompa di calore è una macchina termica che funziona secondo lo stesso principio del frigorifero, ma in senso inverso. La pompa di calore estrae energia dall’ambiente circostante e lo rende utile per il riscaldamento. Le pompe di calore si compongono di quattro elementi: un evaporatore, un compressore, un condensatore e una valvola d’espansione. Le funzioni di questi elementi sono descritte nel seguente schema.

Il rendimento di una pompa di calore dipende dal tipo e dalla temperatura della sorgente ambientale e viene espresso dal coefficiente di prestazione (COP) che indica il rapporto tra l’energia termica ottenuta dal condensatore e l’energia (elettricità, gas naturale) impiegata per azionare la macchina. Un COP 3 significa che la pompa produce 3 kWh termici impiegando 1 kWh elettrico.
Regime monovalente e bivalente
La configurazione di una pompa di calore può essere monovalente o bivalente. In regime monovalente, la pompa di calore lavora senza l’ausilio di un’altro calorifero. La pompa deve essere quindi dimensionata per il fabbisogno termico nel giorno più freddo dell’anno. L’uso è possibile fino ad una temperatura di 15°C. Sono inoltre indicati sistemi di riscaldamento a bassa temperatura con una temperatura di mandata massima di 55°C (±5°C).

Il regime bivalente sfrutta una seconda sorgente di calore. La pompa di calore riscalda l’acqua del sistema di riscaldamento fino ad una temperatura di mandata di 50-55°C e questa temperatura è sufficiente per il riscaldamento con radiatori convenzionali fino ad una temperatura esterna di +3°C. Quando la temperatura esterna scende sotto questo valore si attiva un secondo calorifero. La fonte energetica ambientale è normalmente l’aria. L’uso di pompe di calore a gas richiedono una canna fumaria in acciaio inox a doppia parete che è anche resistente alla condensa. L’uso di una pompa di calore non conviene per la sola produzione d’acqua calda sanitaria.

Le sorgenti ambientali di energia

Le sorgenti ambientali di calore possono essere l’aria, l’acqua e la terra:

  • ARIA
    L’aria è la sorgente ambientale più utilizzata, ma il suo svantaggio è la sua esigua capacità termica che richiede grandi quantità d’aria che devono essere fornite all’evaporatore. Per un fabbisogno di calore di 10 kW occorrono circa 4.000 m3/h. L’aria può essere quella esterna, quella del locale in cui è installata la pompa, oppure quella in uscita dal sistema di ventilazione. L’aria esterna ha però lo svantaggio di subire grandi variazioni di temperatura e spesso in inverno scende sotto zero. A questa temperatura, il COP diminuisce rapidamente e lo sfruttamento dell’aria è possibile solo in regime bivalente. Per questo motivo l’uso dell’aria interna (calda) è più vantaggioso.
  • ACQUA
    Sfruttabile come sorgente di calore è l’acqua di falda, di un pozzo o di un fiume, ma anche l’acqua reflua. La temperatura dell’acqua di falda e di un pozzo è più stabile e questo garantisce maggiori prestazioni da parte della pompa. La temperatura dell’acqua di falda varia durante l’anno al massimo di 8-10°C. Lo sfruttamento di questa sorgente consente un regime monovalente della pompa di calore e rende il COP abbastanza stabile. Lo sfruttamento dell’energia geotermica, richiede normalmente una speciale concessione, perché la temperatura dell’acqua rilasciata dalla pompa è molta bassa. La temperatura delle acque di superficie (laghi, fiumi) varia invece notevolmente e consente solo un regime bivalente. Sfruttabili sono anche le acque reflue (acque bianche) provenienti da stabilimenti industriali.
  • TERRA
    Ad una profondità di 1,0-1,5 m, la temperatura della terra non subisce rilevanti variazioni termiche e questo fatto può essere sfruttato con l’uso di collettori o di pozzi. I collettori sono batterie di tubi interrati in cui circola un fluido che assorbe il calore della terra.

Il sistema richiede ampie superfici di terreno non edificate e non ostruite. L’acqua fredda rilasciata dalla pompa di calore si riscalda sotto terra, ma la temperatura che assume dipende dalla lunghezza dei tubi. Per essere efficace il sistema richiede un’area da 2 a 3 volte superiore rispetto alla superficie dei locali da riscaldare. Il calore estratto dalla terra non deve superare quello fornito dal sole. Il limite è di circa 20-40 W/m2 e dipende dal tipo di terra. Estraendo troppo calore la terra si raffredda e non serve più come sorgente energetica. Nel caso di impianti monovalenti occorre un collettore con una superficie corrispondente al 100-150% di quella che si vuole riscaldare. Un impianto bivalente elettrico ne richiede invece solo la metà.

I pozzi sono invece tubi verticali che non richiedono elevate aree di terreno e possono raggiungere una profondità di centinaia di metri. Questi pozzi consentono un regime monovalente della pompa di calore con un COP quasi costante. Da ciascun pozzo si può ottenere un guadagno di calore di 4-6 kW.

Raffreddamento

Una pompa di calore produce non solo calore, ma, funzionando come un frigorifero, può essere utilizzata anche per il raffrescamento estivo. Mediante una semplice valvola è in grado di scambiare le funzioni dell’evaporatore e del condensatore (tipo invertibile). In questo caso la pompa di calore estrae il calore dall’interno (dall’acqua sistema di riscaldamento o dall’aria interna) e lo smaltisce nell’ambiente, lo trasmette cioè alla sorgente da cui in inverno viene estratto calore.

Le pompe di calore per la climatizzazione degli ambienti esistono in diverse taglie: a piccola (< 2 kW), media (10-20 KW) e ad alta potenza (> 20 kW) per più appartamenti, uffici, ecc.

Lascia un commento

Il tuo indirizzo email non sarà pubblicato. I campi obbligatori sono contrassegnati *