Funzionamento e applicazioni delle pompe di calore

La pompa di calore sfrutta un processo inverso rispetto a quello che avviene spontaneamente in natura, dovuto al fatto che viene fornita energia alla macchina, che "pompa calore". Il principio di funzionamento che sta alla base della pompa di calore è un ciclo termodinamico chiamato ciclo frigorifero, o ciclo motore inverso , ed è analogo a quello che sta alla base di un comune frigorifero. Mediante l’evaporatore agli alimenti presenti nel frigorifero si sottrae il calore che viene poi ceduto all’ambiente tramite il condensatore sito sul lato posteriore dell’apparecchio. Nella pompa di calore, l’evaporatore sottrae il calore all’ambiente (acqua,terra o aria) e attraverso il condensatore lo conduce al sistema di riscaldamento 

Nel funzionamento all'interno del circuito, il fluido frigorigeno subisce le seguenti trasformazioni:

• Compressione. Quando il fluido frigorigeno allo stato gassoso e a bassa pressione, proveniente dall'evaporatore, viene portato ad alta pressione, si riscalda assorbendo una certa quantità  di calore.

• Condensazione. Quando il fluido frigorigeno, proveniente dal compressore, passa dallo stato gassoso a quello liquido cedendo calore all'esterno (all'acqua dell'impianto di riscaldamento).persa dal corpo stesso della caldaia

• Espansione. Quando, passando attraverso la valvola di espansione, il fluido si espande e si raffredda.

• Evaporazione. Quando il fluido frigorigeno assorbe calore dall'esterno (da aria, terra, acqua) ed evapora completamente.

Nel caso in cui si abbia sia l'interesse a riscaldare (durante l'inverno) che a raffrescare (durante l'estate), la pompa si dice "reversibile", e realizza la duplice funzionalità di riscaldamento e condizionamento. L'efficienza di una pompa di calore è intesa come rapporto tra l'energia termica resa all'ambiente da riscaldare e l'energia consumata (parametro denominato COP: Coefficient of Performance). Gli ordini di grandezza dei COP ottenibili sono 3.0 per pompe di calore aria-acqua, 4.0 per pompe di calore a sonda geotermica, e 4.5 per pompe di calore acqua-acqua. Con un COP di 4 il 75 per cento dell’energia è ricavata dall’ambiente ed il 25 per cento dell’energia motrice (energia elettrica) è fornita dalla rete elettrica ed insieme costituiscono il 100 per cento del calore richiesto.

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 di una seconda macchina e anche su quelli dell'energia, 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, impianti di macchine utensili, ecc.

Esistono diversi tipi di PdC a seconda del

• mezzo da cui si prende l'energia ambientale (evaporatore) (acqua, aria, terra) (SORGENTE FREDDA)

• mezzo a cui la PdC  cede il calore di raffrescamento (POZZO CALDO) 

• fonte energetica usata per il funzionamento della PdC  (elettricità, combustibile fossile, energia termica) 

Sorgente Fredda: 

• calore presente nell’aria: Anche nelle fredde giornate invernali il contenuto di calore nell’aria esterna è sufficiente per far funzionare una pompa di calore. L'ARIA come sorgente fredda ha il vantaggio di essere disponibile ovunque; tuttavia la potenza resa dalla pompa di calore diminuisce con la temperatura della sorgente. Quanto più la T esterna si abbassa, tanto più si riduce il COP della PdC, fino a ridursi vicino ad 1, valore per il quale la PdC funziona come una normale stufa elettrica.  

• calore presente nell’acqua: L’acqua freatica è un buon accumulatore del calore solare. Acqua di falda, di fiume, di lago quando questa è presente in prossimità dei locali da riscaldare e a ridotta profondità.  Altre sorgenti possono essere costituite da acqua accumulata in serbatoi e riscaldata dalla radiazione solare. Persino nelle giornate invernali più fredde la sua temperatura rimane costante e quindi la PdC funziona sempre con COP accettabili. Tuttavia richiede un costo addizionale dovuto al sistema di adduzione dell'acqua.

• calore presente nel terreno:  Ad una profondità di 1,2 – 1,5 m la terra rimane sufficientemente calda anche nelle giornate fredde per far funzionare una pompa di calore – una soluzione economica per le nuove costruzioni quando il giardino non è stato ancora allestito. In questo caso  se il giardino è sufficientemente grande si possono inserire tubazioni orizzontali di scambio termico (sonde geotermiche). Altrimenti si devono usare tubazioni verticali che scendono a 100 - 150 m di profondità. Nel sistema di tubazioni, in materia sintetica,  circola una miscela di salamoia che sottrae calore al terreno.  (vedi ECO HG1.04) 

In definitiva, si possono avere 4 combinazioni di tipi di PdC. 

ARIA-ACQUA   ARIA-ARIA   ACQUA-ACQUA   ACQUA-ARIA

Fonte Energetica 

• Il compressore della PdC può essere comunemente e semplicemente azionato dall'energia elettrica, ma alternativamente anche da un motore a combustione interna. Si utilizza la configurazione detta monovalente quando la pompa di calore è in grado di coprire interamente il fabbisogno termico necessario al riscaldamento degli ambienti. Se la pompa di calore usa come sorgente l'aria esterna, tale configurazione è adottabile nelle zone climatiche dove la temperatura esterna scende raramente sotto agli 0°C.
  In caso contrario si deve realizzare un sistema bivalente, costituito dalla pompa di calore e da un sistema di riscaldamento ausiliario (cioè una caldaia tradizionale) che copra il fabbisogno termico quando la temperatura dell'aria scende solo al di sotto di 0°C

• Se invece si ha a disposizione ingente quantità di energia termica (es. da combustione di gas o da impianti solari o da recupero di energie disperse) si può pensare di utilizzare una pompa di calore ad assorbimento . In questo caso la PdC risulta più complessa perché il trasferimento del calore da una T inferiore ad una superiore avviene tramite un fluido assorbente in cui il fluido frigorigeno si scioglie e poi, a seguito della fornitura di calore, si separa.  (per maggiori info v. http://www.robur.it/tecnologia/confronto-pompe-di-calore/pagina-1.html )

Nella scelta della pompa di calore occorre considerare:
- le caratteristiche climatiche del luogo dove viene installata;
- le caratteristiche tipologiche dell'edificio;
- le condizioni di impiego.