Funzionamento pompa di calore - Studio Boni a Trento

Il sistema di riscaldamento (o raffreddamento) mediante pompa di calore (PdC) rappresenta comunemente una soluzione per il condizionamento degli interni e il riscaldamento dell'acqua destinata all'igiene personale. A differenza dei convenzionali sistemi basati su energie fossili, come il riscaldamento a olio o a gas naturale, che generano calore mediante la combustione di tali risorse, il funzionamento di una pompa di calore avviene sfruttando l'energia presente nell'ambiente circostante: aria, acqua o suolo, in base al tipo di impianto selezionato. Successivamente, questa energia viene trasferita nel luogo desiderato mediante l'impiego di energia elettrica.

Come funziona la pompa di calore?

Il funzionamento di una pompa di calore, per un impianto di climatizzazione di massima efficienza, presenta pochi punti in comune con i classici impianti a caldaia in quanto ha delle peculiarità sia per quanto riguarda la conversione dell'energia, sia per l'erogazione del calore alle unità abitative attraverso il fluido termovettore, per cui sono indicati particolari sistemi a pannelli radianti. In ogni caso i sistemi possono anche adattarsi all'impianto tradizionale di radiatori.

L'elemento centrale del sistema, però, è alternativo alla caldaia che può essere aggiunta come unità di integrazione. Tale elemento è la pompa di calore. Il funzionamento di una pompa di calore avviene attraverso il trasferimento di calore da un sistema a una certa temperatura a un sistema a temperatura superiore. In questo modo si rende utile per il riscaldamento l'energia derivante dal raffreddamento di un qualsiasi sistema più freddo da riscaldare.

Il nome della pompa di calore deriva dall'analogia idraulica di immediata comprensione: come una pompa idraulica solleva acqua da un serbatoio a quota inferiore a uno a quota superiore, così la pompa di calore permette di innalzare il livello termico globale. Ciò avviene in accordo con il secondo principio della termodinamica, cioè fornendo lavoro dall'esterno.

Tale analogia può però trarre in inganno coloro che si avvicinano all'argomento per la prima volta. Infatti, a differenza dell'idraulica dove il fluido pompato è sempre il medesimo, prima e dopo il processo, in termodinamica il calore viene innalzato attraverso uno scambio termico tra tre fluidi distinti, di tipo e caratteristiche diverse: due (termovettori) esterni alla pompa di calore, che collegano la pompa di calore rispettivamente all'ambiente esterno e a quello da climatizzare, e uno (refrigerante) interno, che permette lo scambio termico tra i precedenti e che, cambiando di stato passando attraverso opportuni dispositivi, è parte integrante del ciclo frigorifero.

Il funzionamento della pompa di calore è dunque simile a quello di un frigorifero domestico o di un condizionatore d'aria. La pompa di calore (PdC) è spesso utilizzata come impianto di riscaldamento (e/o raffreddamento) per ambienti interni e per il riscaldamento dell'acqua calda sanitaria. Contrariamente ai sistemi tradizionali a energie fossili (olio per il riscaldamento, gas naturale ecc.) che producono calore bruciando queste risorse, le pompe di calore utilizzano l'energia presente nell'ambiente: aria, acqua o suolo, a seconda del tipo di impianto scelto, e lo trasferiscono con l'ausilio di energia elettrica nel luogo in cui è richiesto.

Se vuoi saperne di più sulla progettazione e installazione di un impianto di condizionamento leggi il nostro articolo dedicato sugli impianti di condizionamento a Trento.

Funzionamento di una pompa di calore: struttura e componenti

La pompa di calore è costituita da un circuito chiuso, percorso da uno speciale fluido (il liquido refrigerante) che, a seconda delle condizioni di temperatura e di pressione in cui si trova, assume lo stato liquido o di vapore. Di seguito, i principali componenti indispensabili per il funzionamento di una pompa di calore:

• un evaporatore, dove il fluido, allo stato liquido, assorbendo calore dall'esterno, evapora completamente;
• un compressore, in cui il fluido, allo stato gassoso e a bassa pressione, proveniente dall'evaporatore, viene portato ad alta pressione e di conseguenza a maggiore temperatura; inoltre nella compressione assorbe ulteriore quantità di calore dal lavoro del compressore. È il dispositivo che assorbe il quantitativo maggiore di energia elettrica necessaria;
• un condensatore, dove il fluido passa dallo stato gassoso a quello liquido cedendo calore all'interno dell'ambiente da riscaldare;
• una valvola di espansione in cui il fluido viene portato alla pressione di partenza, così da ripetere il ciclo termodinamico.

L'insieme di queste trasformazioni costituisce il ciclo termodinamico atto al funzionamento della pompa di calore: utilizzando l'energia del compressore (in genere elettrica), il fluido refrigerante, nell'evaporatore, assorbe calore dalla fonte esterna a disposizione e, tramite il condensatore, lo cede all'ambiente da riscaldare.

I tipi di sorgente esterna della pompa di calore

Il fluido di scambio con il lato utenze dipende dal tipo di terminale utilizzato e le varianti possibili per il funzionamento di una pompa di calore sono due: aria e acqua. Per sistemi split o multi-split, il fluido di scambio è l'aria in quanto le varie parti della pompa di calore sono direttamente a contatto con l'ambiente, mentre l'acqua è usata nel caso di sistemi a pannelli radianti, ventilconvettori e, più raramente, radiatori. Riferendosi alla sorgente esterna, invece, esistono tre varianti: aria, acqua e acqua glicolata.

Funzionamento pompa di calore: aria acqua

Per quanto riguarda il funzionamento della pompa di calore aria acqua, possiamo dire che ricorda quello di un condizionatore da parete, nel senso che sfrutta l'aria come sorgente esterna di calore e per lo scambio termico si hanno le tipiche batterie alettate: l'aria viene riscaldata o raffreddata nel passare tra i ranghi della batteria, le alette a contatto con i tubi aumentano la superficie di scambio, infine, all'interno dei tubi, il fluido refrigerante condensa ed evapora. Un problema nell'utilizzo dell'aria consiste nella fluttuazione della temperatura di evaporazione in un campo di valori tanto più esteso quanto più il clima è variabile. Ciò fa abbassare notevolmente il coefficient of performance (COP) medio che per un sistema di questo tipo si attesta su valori compresi tra 2 e 3.5. Inoltre si possono verificare, in caso di temperature esterne troppo rigide, problemi di condensa.

Funzionamento pompa di calore: acqua acqua

L'acqua sotterranea è la fonte di calore più appropriata per il funzionamento di una pompa di calore in quanto la sua temperatura è in genere costante durante l'anno (tra i 10- 15°C, in condizioni normali, e tra i 15 - 25°C, in zone con gradiente anomalo, come per esempio nelle adiacenze di località termali).

Possono essere utilizzate anche acque superficiali, quali acque di laghi, fiumi o mare, che presentano però una instabilità maggiore dovuta all'influenza della temperatura esterna.
Il mare costituisce la sorgente termica più diffusa: nei mari che bagnano l'Italia, varia da un minimo di 10°C in inverno, a un massimo di 25°C in estate. Nel caso di sfruttamento di acqua salata, si amplificano però i fenomeni di corrosione.

I fiumi e i laghi soffrono di una instabilità più elevata, sia per quanto riguarda le temperature (si passa da 4 - 6°C in inverno, fino a 25°C in estate), sia per ciò che implica le portate che non sono costanti per la variazione del regime idrico annuale. Inoltre, benché diminuiscono i problemi di corrosione, aumentano quelli legati al filtraggio poiché tali acque possono contenere materiale in sospensione che deve essere intercettato prima che il fluido entri in contatto con gli organi di funzionamento della pompa di calore.

L'impiego di una pompa di calore acqua acqua richiede un'autorizzazione il cui iter burocratico può variare da regione a regione e che, generalmente, è difficile da ottenere per ciò che attiene alle acque di pozzo.

La circolazione dell'acqua negli scambiatori avviene con elettropompe centrifughe a portata costante. Gli scambiatori assumono spesso la forma a fascio tubero: all'interno di un contenitore cilindrico, chiamato mantello, sono posti numerosi tubi paralleli che ne collegano le due estremità; l'acqua può circolare nello spazio esterno ai tubi e delimitato dal mantello, guidata da opportuni setti divisori. All'interno dei tubi avviene la condensazione o l'evaporazione del liquido refrigerante.

Con l'acqua è possibile un migliore scambio termico rispetto che con l'aria poiché non si origina il problema dello sbrinamento delle batterie. L'acqua però presenta anche degli svantaggi perché può essere corrosiva (in particolar modo l'acqua di mare, ma anche quella di pozzo) e si può creare il pericolo di incrostazioni in grado di ridurre drasticamente l'efficienza degli scambiatori, coprendo in tempi brevi la superficie. In ogni caso l'acqua di pozzo è la migliore sorgente esterna in termini di COP che può arrivare ad avere un valore pari a 5,5, con punte anche intorno a 6.

Funzionamento pompa di calore: riscaldamento invernale

La principale e storica applicazione della pompa di calore, accoppiata alle sonde verticali, è quella del riscaldamento invernale di interni, il che è dovuto principalmente alla latitudine delle nazioni dove questa tecnologia si è sviluppata maggiormente a partire dagli anni 80: Svezia, Canada, Stati Uniti.

Fornendo lavoro dall'esterno, il funzionamento della pompa di calore è quantificato dal coefficiente di effetto utile o COP (coefficient of performance). Considerati i limiti della pompa di calore e utilizzando come lavoro assorbito l'energia elettrica, il COP reale, ricavato come rapporto tra l'energia termica ottenuta e il lavoro fornito, oscilla tra 2 e 5 e le differenze sono dovute essenzialmente alle differenti sorgenti naturali impiegate e alla efficienza del circuito esterno.

Rispetto a una soluzione a caldaia, la pompa di calore per il riscaldamento presenta numerosi vantaggi di silenziosità, sicurezza, risparmio energetico ed economico e rispetto ambientale.

Funzionamento pompa di calore: raffrescamento estivo

Nel settore del condizionamento, il funzionamento della pompa di calore è ampiamente conosciuto. La pompa di calore è diventata infatti, nel corso degli anni, un elemento comune del paesaggio urbano, anche se a oggi si sono diffusi soprattutto sistemi a sezioni staccate che si differenziano, dai monoblocco tipici degli impianti, per la presenza di due unità distinte e precisamente:

• i gruppi frigo, comprendenti il condensatore e il compressore, sono installati ai muri esterni degli edifici oppure appoggiati sui balconi;
• i condizionatori da parete che contengono la sezione di evaporazione a espansione diretta, cioè la batteria alettata in cui il fluido refrigerante scambia calore con l'aria ambiente opportunamente movimentata.

L'unione delle due componenti assume il nome di split.

Funzionamento pompa di calore per l’acqua calda sanitaria

La pompa di calore può essere impiegata anche per il riscaldamento dell'acqua calda sanitaria. Gli impianti non rivestono mai da soli questa funzione, ma sono dimensionati secondo le necessità di riscaldamento e/o raffrescamento.

Le esigenze dell'acqua calda sanitaria possono venire soddisfatte in diversi modi: con una pompa di calore dedicata, affiancata a quella del riscaldamento; con un serbatoio di accumulo che permetta lo stoccaggio del calore in eccesso dal circuito di condizionamento, con dei sensori per mantenere costante il valore della temperatura all'interno. Il funzionamento della pompa di calore per l'acqua calda sanitaria richiede però temperature superiori ai pannelli radianti, sui 50°C all'interno del boiler, tale temperatura poi diminuisce nella rete di distribuzione.

Per questa ragione, in proporzione, occorre un consumo di energia elettrica superiore rispetto al consumo per il condizionamento. Inoltre, la gestione idraulica dell'acqua calda sanitaria complica i circuiti, con un aumento dei costi iniziali.

Per questi motivi, la pompa di calore, a oggi, non rappresenta ancora il metodo più economico ed efficiente per produrre l'acqua calda sanitaria.

Gli impieghi della pompa di calore descritti possono essere integrati l'uno con l'altro, anzi, una sola macchina in grado di svolgere tutte le funzioni risulta particolarmente conveniente in termini economici e di spazio.

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