La pompa di calore

LA POMPA DI CALORE

Di solito per riscaldare gli ambienti si sfrut­ta la combustione di idrocarburi, come ga­solio o metano, con conseguente emissione di biossido di carbonio e altri gas, anche nocivi.

Da diversi anni, per rendere più economico il riscaldamento degli edifici si sono studiate, oltre a migliori tecniche di isolamento termico, anche soluzioni più efficaci per le macchine termiche sfruttate per il riscaldamento. Sono così tornate d'attualità le osservazioni effettuate nel 1852 dal fisico inglese William Thompson (poi nominato Lord Kelvin per meriti scientifici), il primo a de­scrivere il ciclo termico della pompa di calore e a intuirne le potenzialità economiche.

La sua idea consiste nel riscaldare l'aria in­terna all'edificio (che ha una temperatura più elevata) mediante il raffreddamento dell'aria esterna (che ha una temperatura inferiore).

Il nome "pompa di calore" è collegato all'idea di cedere calore a una temperatura più elevata di quella alla quale è stata prelevato. Nel suo funzionamento essa si comporta come le mac­chine frigorifere con il compressore posto nei locali interni e la serpentina dell'evaporatore situata al­l'esterno. Il vantaggio del suo uso, rispetto a un sistema di riscaldamento tradizionale, è evidente: alla sor­gente calda (la stanza) giunge una quantità di calore il cui valore assoluto è

dove Q₁ è il calore (positivo) che la pompa riceve dalla sorgente fredda e W^(e) è il lavoro esterno (positivo) compiuto dal motore, tipicamente elettrico, contenuto nella pompa.

Se avessimo fornito la stessa quantità di energia esterna W_e mediante combustibili o l'uso di energia elettrica, la stanza avrebbe ricevuto una quantità di calore

Quindi l'uso della pompa di calore implica un vantaggio che è descritto matematicamente dal rapporto K (detto coefficiente di guadagno) tra la quantità di calore   che giunge a riscalda­le l'interno e il lavoro W^(e) necessario per otte­nere tale riscaldamento:

Dalla definizione di rendimento riconosciamo che K è il suo reci­proco.

Quindi, una pompa di calore ideale è costituita da una macchina reversibile (e che funziona nel senso inverso) che lavora con le temperature T₁ e T₂ (con T₁ < T₂) con un coefficiente di gua­dagno dato dal reciproco del membro di destra della formula:

La pompa di calure risulta quindi più adatta per i climi temperati nei quali è minore lo sbalzo di temperatura fra interno ed esterno, mentre nei climi più rigidi è utilizzata spesso in combina­zione con i sistemi tradizionali, che forniscono il surplus di energia richiesto nei giorni più freddi.

Una buona pompa di calore reale può avere un valore di K pari a 5 o 6: per ogni joule di energia fornita dall'esterno (cioè pagata dal ge­store dell'edificio) si ottiene un riscaldamento di 5 o 6 J.

Inoltre, in una pompa di calore è possibile in­vertire la direzione del funzionamento. In que­sto modo si obbliga il fluido a scorrere nella di­rezione opposta rispetto all'inverno. Così il ca­lore è assorbito dall'ambiente freddo, che è la casa che si vuole raffreddare, ed è ceduto all'am­biente caldo, cioè l'esterno. Quindi la pompa di calore funziona anche come condizionatore.

L'economicità e la compatibilità ambientale del sistema sono notevoli a parità di prestazio­ni, anche tenendo conto delle dispersioni di energia nella centrale e nelle linee elettriche. Una pompa di calore fa risparmiare il 35% di combustibile rispetto a un modello tradizionale per riscaldamento; quindi, riduce della stessa percentuale le emissioni nocive nell 'atmosfera.

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 di liquido o di vapore.

Il circuito chiuso è costituito da:
- Un compressore
- Un condensatore
- Una valvola di espansione
- Un evaporatore

Il condensatore e l'evaporatore sono costituiti da scambiatori di calore, cioè i tubi posti a contatto con un fluido di servizio (che può essere acqua o aria) nei quali scorre il fluido frigorigeno. Questo cede calore al condensatore e lo sottrae all'evaporatore.

I componenti del circuito possono essere sia raggruppati in un unico blocco, sia divisi in due parti (sistemi 'SPLIT') raccordate dai tubi nei quali circola il fluido frigorigeno.

Nel funzionamento il fluido frigorigeno, all'interno del circuito, subisce le seguenti trasformazioni:
1. Compressione: il fluido frigorigeno allo stato gassoso e a bassa pressione, proveniente dall'evaporazione, viene portato ad alta pressione; nella compressione si riscalda assorbendo una certa quantità di calore.
2. Condensazione: il fluido frigorigeno, proveniente dal compressore, passa dallo stato gassoso a quello liquido cedendo calore all'esterno.
3. Espansione: passando attraverso la valvola di espansione il fluido friorigeno liquido si trasforma parzialmente in vapore e si raffredda.
4. Evaporazione: il fluido frigorigeno assorbe calore dall'esterno ed evapora completamente.

L'insieme di queste trasformazioni costituisce il ciclo della pompa di calore: fornendo energia con il compressore, al fluido frigorigeno, questo, nell'evaporazione, assorbe calore dal mezzo circostante e, tramite il condensatore, lo cede al mezzo da riscaldare.
Il mezzo esterno da cui si estrae calore è detto sorgente fredda. Nella pompa di calore il fluido frigorigeno assorbe calore dalla sorgente fredda tramite l'evaporatore.
Le principali sorgenti fredde sono:
- l'ARIA: esterna al locale dove è installata la pompa di calore oppure estratta dal locale dove è installata la pompa di calore;
- l'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;
- terreno, nel quale vengono inserite le tubazioni relative all'evaporatore.

L'aria o l'acqua da riscaldare sono detti pozzo caldo.
Nel condensatore il fluido frigorigeno cede al pozzo caldo sia il calore prelevato dalla sorgente fredda che l'energia fornita dal compressore.
Il calore può essere ceduto all'ambiente attraverso:
- VENTILCONVETTORI, costituiti da armadietti nei quali l'aria viene fatta circolare sopra corpi scaldanti;
- SERPENTINE inserite nel pavimento, nelle quali circola acqua calda;

- CANALIZZAZIONI, che trasferiscono direttamente il calore prodotto dalla pompa di calore ai diversi locali.