La pompa di calore (o termopompa) è una macchina termica in grado di estrarre e trasferire energia termica. Per il trasferimento si usano varie forme di energia, generalmente energia meccanica.
Le pompe di calore sono considerate come una delle soluzioni più scalabili nel breve periodo per ridurre le emissioni derivanti da consumi domestici-abitativi.
Descrizione Esempi comuni di pompe di calore sono: refrigeratore; condizionatore d'aria; pompa di calore a compressione di gas; pompa di calore ad assorbimento; 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.
Il termine pompa di calore viene spesso usato per indicare un condizionatore d'aria che, grazie ad una valvola reversibile, può cambiare la direzione di moto del fluido refrigerante, potendo quindi sia rinfrescare che riscaldare un locale di un edificio; tale termine è improprio, in quanto i condizionatori d'aria sfruttano sempre il principio di funzionamento della pompa di calore, anche quando vengono usati per rinfrescare.
Funzionamento
Le pompe di calore funzionano grazie a diversi principi fisici e sono classificate in base alla loro applicazione (trasmissione di calore, fonte di calore, dispersore di calore o macchina refrigeratrice).
Un compressore aspira il fluido refrigerante, lo comprime e lo spinge nella serpentina (zona) ad alta pressione del circuito (in rosso nell'immagine). Il fluido è spinto quindi in uno scambiatore di calore (qui con funzione di condensatore) il quale cede calore all'ambiente, quindi il fluido si raffredda e condensa (assume forma liquida). Il liquido è spinto attraverso la valvola di laminazione, che separa la parte ad alta pressione da quella a bassa pressione (in blu nell'immagine). Il liquido, che sta a bassa pressione, raggiunge un secondo scambiatore di calore (qui con funzione di vaporizzatore), assorbe calore dall'ambiente passando in forma di vapore e viene nuovamente aspirato dal compressore, ricominciando il ciclo.
Rendimento Per le pompe di calore non si parla di "rendimento" ma di "resa", precisamente di coefficiente di prestazione (COP), rapporto tra energia resa (calore fornito ad un ambiente) ed energia consumata (energia elettrica, quella richiesta dal compressore). In fisica tecnica è chiamato coefficiente di effetto utile. Un valore del COP pari a 3 sta a significare che per 1 unità di energia (elettrica) consumata, il sistema trasferisce 3 unità di energia termica.
Definizione È possibile definire sia un COP di riscaldamento che uno di raffreddamento:
dove è la quantità di calore estratta da un ambiente (serbatoio freddo) alla temperatura assoluta e è la quantità di calore conferita a un ambiente (serbatoio caldo) alla temperatura assoluta .
Prestazione in raffreddamento In modalità raffreddamento la prestazione di una pompa di calore è definita dall'"EER" (Energy Efficiency Ratio). La pompa di calore è solitamente più efficiente nel riscaldamento che nel raffreddamento, dato che la macchina dissipa una parte di energia in calore per effetto Joule, calore che si somma al riscaldamento. Nel caso di macchina di Carnot a senso inverso (le si fornisce energia di prima specie e si ottiene calore) tra sorgenti rispettivamente a 0 °C e a 20 °C, il COP è pari a 15 (rapporto 1:15 tra il lavoro delle resistenze elettriche e il calore ottenuto). Macchine simili sono efficienti, ma il costo d'impianto è elevato.
Variabilità del COP In un caso reale, con un clima mite, con una temperatura di mandata del riscaldamento di 45°C (aumentare la temperatura di mandata comporta una riduzione del COP), una pompa di calore ha un COP che va da 3 a 4 (mediamente con una temperatura esterna di 10 °C raggiunge 3,3, mentre con una di −8,3 °C raggiunge 2,3). Per fornire un paragone, una stufetta elettrica ha un COP teorico pari a 1, ovvero 1 joule di energia elettrica dato alla stufetta si trasforma in 1 joule di calore, mentre 1 joule di energia elettrica dato alla pompa di calore si trasforma in più di 1 joule di energia termica.
Per le pompe di calore che sfruttano l'aria il COP è limitato quando operano in climi freddi poiché c'è meno calore da trasferire all'interno. Tipicamente il COP crolla quando la temperatura dell'aria esterna scende sotto −5 °C/−10 °C. Per 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 (potenza), al rumore generato.
Il COP di una pompa di calore che sfrutta il sottosuolo (di solito l'acqua) è maggiore di quello di una pompa che sfrutta l'aria, poiché il terreno presenta una temperatura abbastanza costante durante l'anno; in compenso la sua installazione è più difficoltosa e più costosa, tali installazioni possono essere a tubi orizzontali (ad una profondità compresa tra 0,6 e 2 metri) o verticali (da 50 a 150 metri di profondità), le installazioni verticali permettono un COP maggiore e crescente quando la temperatura ambiente è bassa, negli impianti a tubi orizzontali la profondità d'installazione nel terreno determina anche la fluttuazione della temperatura durante la giornata e la temperatura media mensile durante l'anno, a 10-11 metri la temperatura media mensile è pressoché costante tutta l'anno, mentre avvicinandosi alla superficie cresce l'influenza della temperatura dell'aria
Pompa di calore ad aria per condizionamento
Ci sono due tipi di pompe di calore ad aria; la più comune è quella aria-aria, che estrae calore dall'aria e lo riversa nell'aria che si trova all'interno o all'esterno di un edificio, a seconda della stagione; c'è anche quella, più rara, aria-acqua, che è utilizzata in ambienti con la distribuzione idrica del calore.
Le pompe di calore ad aria possono essere: progettate per lavorare insieme con un'altra fonte di riscaldamento, come una caldaia (elettrica, a gas, a gasolio); dotate di resistenza elettrica avente funzione di riscaldatore supplementare; bivalenti, se dotate di un riscaldatore a propano per innalzare la temperatura dell'aria in ingresso.
La fase di riscaldamento D'inverno il calore è prelevato dall'aria esterna e portato all'interno. Il fluido refrigerante attraversa la valvola di laminazione e diventa una miscela liquido-vapore a bassa pressione, entra nell'evaporatore, posto all'esterno, dove assorbe calore e si trasforma in vapore a bassa temperatura; Il vapore attraversa l'accumulatore, dove è raccolto anche ogni rimanente liquido, quindi viene compresso, con innalzamento della temperatura; Il vapore caldo giunge al condensatore, che è il radiatore posto all'interno (vicino all'eventuale caldaia), e cambia di fase rilasciando calore (di liquefazione). Il liquido ottenuto ritorna alla valvola di laminazione e il ciclo si ripete.
Quando l'ambiente esterno è alla temperatura di equilibrio la capacità di riscaldamento della pompa pareggia le dispersioni termiche dell'edificio, mentre quando l'esterno è più freddo è necessario l'apporto di una caldaia tradizionale. La pompa di calore trasforma aria in grandi quantità (50-60 l/s per kW) a temperature comprese tra 25 °C e 45 °C, tendendo a operare per periodi più lunghi rispetto a una normale caldaia, che rilascia aria tra i 55 °C e i 60 °C.
La fase di raffreddamento D'estate si inverte il ciclo sopra descritto in modo, cambia la direzione del flusso di calore: il liquido refrigerante evapora nel radiatore interno e condensa nel radiatore esterno.
La fase di sbrinamento Quando lo scambiatore esterno opera come evaporatore (fase di riscaldamento invernale), funziona in un ambiente freddo e la sua superficie esterna assume temperature ancora minori di quelle ambientali. Questo implica la formazione di ghiaccio su di esso, dovuta alla presenza di umidità nell'aria, e di conseguenza una riduzione del rendimento dello scambio termico (il ghiaccio è isolante). Per disciogliere lo strato di ghiaccio, periodicamente la valvola reversibile inverte il ciclo e la ventola dell'evaporatore esterno si ferma, in modo da ridurre l'energia termica necessaria per lo sbrinamento; in questo modo la macchina funziona in raffreddamento per il tempo necessario a far riscaldare il radiatore esterno fondendo il ghiaccio, per poi riprendere il funzionamento in riscaldamento. Mentre la macchina è in questa fase, il radiatore interno emette aria non riscaldata dal sistema della pompa di calore, che deve quindi essere riscaldata utilizzando metodi diversi (ad esempio con resistenze) prima di venire immessa in circolo.
Vi sono due metodi per effettuare lo sbrinamento: con un sensore di temperatura esterno e un timer che inverte il ciclo a intervalli di tempo prefissati; con un sistema di controllo che monitora il flusso d'aria, la pressione del refrigerante e la temperatura dell'aria. Il secondo metodo, seppur più costoso, è preferibile in quanto evita sbrinamenti non necessari e quindi migliora le prestazioni stagionali della macchina.
Dimensionamento Anche se la pompa di calore può fornire tutto il calore necessario a un edificio, non è conveniente quando i carichi per il riscaldamento sono molto maggiori di quelli per il raffreddamento: la pompa, dimensionata per la stagione invernale, d'estate opererebbe in maniera intermittente, con minore COP e minore capacità di deumidificazione.
Un buon compromesso tra costi e prestazioni stagionali è nel fatto che la pompa di calore fornisca non più del 125% del carico estivo e non più del 90% del carico invernale. Così facendo, la temperatura di equilibrio (quella a cui la pompa fornisce tutto e solo il calore che l'edificio disperde) risulta compresa tra 0 °C e −5 °C.
Pompa di calore geotermica per condizionamento
La pompa di calore geotermica usa il terreno (ad es. l'acqua che si trova nel terreno) come fonte o come dispersore di calore. Il trasporto dell'energia termica è effettuato mediante la stessa acqua o mediante un liquido antigelo, eccetto nelle pompe di calore a espansione diretta, in cui si usa un fluido refrigerante che circola nello scambiatore posto nel terreno.
A differenza delle pompe di calore ad aria, quelle geotermiche possono funzionare in raffreddamento anche in modalità passiva: esse estraggono calore dall'edificio pompando nel sistema l'acqua fredda o il liquido antigelo, senza l'azione della pompa di calore vera e propria.
Il sistema di tubazioni che percorre il terreno può essere aperto o chiuso. Nel sistema aperto si estrae l'acqua da una falda sotterranea, la si porta fino allo scambiatore di calore e quindi la si scarica in un corso d'acqua, di nuovo nella medesima falda o in un bacino appositamente costruito (e che permetta la rifiltrazione verso il terreno). Nel sistema chiuso il calore è intercettato dal terreno per mezzo di una tubazione continua sotterrata, con al suo interno un fluido refrigerante (per le pompe a espansione diretta) o liquido antigelo mantenuto a bassa temperatura e pressurizzato. Nei sistemi a circuito chiuso con sonde verticali, lo scambio termico avviene attraverso tubazioni in materiale plastico ad alta densità (generalmente HDPE), disposte in configurazione a U singola o doppia e inserite in perforazioni verticali nel terreno, con profondità variabili rientranti nella geotermia superficiale. All’interno delle sonde circola un fluido termovettore, costituito da acqua o da una miscela acqua-glicole, che assorbe o cede calore al sottosuolo in funzione delle esigenze stagionali di riscaldamento o raffrescamento. L’energia termica scambiata viene trasferita alla pompa di calore, che la utilizza per alimentare il circuito dell’edificio, mentre il fluido continua a circolare in un sistema chiuso, senza contatto diretto con l’ambiente esterno.
Il ciclo di riscaldamento