Pompe di calore per il riscaldamento e il raffreddamento

La pompa di calore è una macchina in grado di trasferire energia termica da una sorgente a temperatura più bassa a una sorgente a temperatura più alta, utilizzando differenti forme di energia, generalmente meccanica.
 
 

Principio di funzionamento di una pompa di calore: condensatore-valvola di laminazione-evaporatore-compressore

 
Il compressore di una pompa di calore crea una differenza di pressione, aspira il fluido refrigerante attraverso l'evaporatore, dove il fluido stesso evapora a bassa pressione assorbendo calore, lo comprime e lo spinge all'interno del condensatore dove il fluido condensa ad alta pressione rilasciando il calore assorbito. Dopo il condensatore, il fluido attraversa la valvola di laminazione che lo porta in condizione liquido/vapore (riduce la pressione del fluido), successivamente rientra nell'evaporatore ricominciando il ciclo. Il fluido refrigerante cambia di stato all'interno dei due scambiatori: passa nell'evaporatore da liquido a gassoso, nel condensatore da gassoso a liquido.
 
 

Rendimento

Le prestazioni delle pompe di calore si misurano in termini di "resa", che è espressa dal coefficiente di prestazione "COP", rapporto tra energia resa (calore fornito alla sorgente di interesse) ed energia consumata (di solito elettrica, richiesta ad esempio, dal compressore), usualmente indicato in fisica tecnica come coefficiente di effetto utile. Un valore del COP (coefficient of performance) pari a 3 indica che per ogni kWh di energia elettrica consumata, la pompa di calore movimenta calore pari a 3 kWh da o verso la sorgente di interesse.
 
In funzione dell'effetto utile che interessa, è possibile definire un COP di riscaldamento e uno di raffreddamento. In fase di raffreddamento la prestazione di una pompa di calore è descritta dall'"EER" (Energy Efficiency Ratio); la pompa di calore è solitamente più efficiente nel riscaldamento che nel raffreddamento, dato che la macchina dissipa sempre una parte di energia in calore, calore che può essere usato per il riscaldamento.
 
Per le pompe di calore che sfruttano l'aria il COP è limitato quando operano in climi molto freddi, dove c'è meno calore da trasferire all'interno di un edificio. Tipicamente il COP crolla drasticamente quando la temperatura dell'aria esterna scende sotto a −5 °C/−10 °C. Quando si compra 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, al rumore generato.
 
Il COP di una pompa di calore che sfrutta il sottosuolo (di solito l'acqua sotterranea) è maggiore di quello della pompa che sfrutta l'aria, poiché il terreno presenta una temperatura abbastanza costante durante tutto l'anno; in compenso la sua installazione è più difficoltosa e costosa.
 
 

Pompe di calore ad aria

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 all'interno o all'esterno di un edificio, a seconda della stagione; segue poi quella aria-acqua, che è utilizzata in ambienti con la distribuzione idrica del calore.
 
Le pompe di calore ad aria possono essere:
 

• Progettate per lavorare in unione con una fonte supplementare di riscaldamento;
• Già dotate di resistenza elettrica in funzione di riscaldatore supplementare;
• Bivalenti, se sono dotate di un riscaldatore a propano per innalzare la temperatura dell'aria in ingresso dall'esterno;
• Il calore è prelevato dall'aria esterna e portato all'interno dell'edificio.

 

Riscaldamento

Il fluido refrigerante attraversa la valvola di laminazione e diventa una miscela liquido-vapore a bassa pressione. Quindi entra nell'evaporatore, posto all'esterno, dove assorbe calore fino a diventare vapore a bassa temperatura.

Il vapore attraversa l'accumulatore, dove è raccolto anche ogni rimanente liquido. Quindi viene compresso, con conseguente innalzamento della temperatura.

Il vapore caldo giunge nel condensatore, che è il radiatore posto all'interno dell'edificio (vicino all'eventuale caldaia), e cambia di fase rilasciando il calore di liquefazione. Il liquido ottenuto ritorna alla valvola di laminazione e il ciclo si ripete.

 

Raffreddamento

Ciclo invertito rispetto al riscaldamento, il liquido refrigerante evapora nel radiatore interno e condensa nel radiatore esterno. L'aria interna viene inoltre deumidificata.
 

Vantaggi
 

• Risparmio energetico ed economico. L’energia ottenuta dal processo è superiore a quella che viene impiegata;
   
• Ecosostenibilità;
   
• Miglioramento della classe energetica dell’edificio.

 

Svantaggi

 

• 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;
   
• Costo di installazione per impianti importanti;

• Rumore di fondo.