Le pompe di calore

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Negli ultimi anni l’esigenza di raffrescare gli edifici d’estate oltre che riscaldarli d’inverno sta portando alla diffusione di un’unica “macchina” in grado di soddisfare entrambi i fabbisogni termici: la pompa di calore reversibile.

Per spiegare cos’è la pompa di calore si deve ricorrere ai principi della termodinamica: è noto che il trasferimento di calore avviene in modo spontaneo da un corpo caldo a uno più freddo, mentre il processo inverso può verificarsi solo con l’apporto di energia dall’esterno. Quindi la pompa di calore è una macchina che preleva calore da una sorgente “fredda” a temperatura T0 (aria, terreno, acqua) per cederlo ad un altro ambiente detto “sorgente calda” a temperatura T1.
Pompa di CaloreLa macchina è in grado quindi di somministrare una quantità di calore Q0 da una sorgente a bassa temperatura (aria, acqua di falda, lago o terreno) e di trasferirla alla sorgente calda in quantità Q1 = Q0 + L (per esempio l’aria ambiente, l’acqua calda sanitaria o l’acqua del circuito di riscaldamento) a spese di lavoro esterno (energia elettrica per il funzionamento dei compressori).
Per effettuare il trasferimento del calore fra le due sorgenti (calda e fredda) si utilizza un fluido frigorifero che mediante evaporazione (passaggio da liquido a gas) è in grado di prelevare il calore Q0 per cederlo all’ambiente da climatizzare ad un livello termico più alto Q1 mediante processo di condensazione (passaggio da gas a liquido).
Affinché possa avvenire questo processo bisogna utilizzare un fluido frigorigeno che abbia un determinato campo di lavoro: ad esempio un fluido che evapora a temperatura inferiore ai -10°C con pressione superiore a quella atmosferica e che condensi a 40-50 °C a pressioni più alte.

Esistono diverse tipologie di fluidi frigorigeni e quelli di ultima generazione sono ritenuti ecologici perché in caso di eventuali perdite non creano danni per l’ozono. Quelli più usati attualmente sono degli idrofluorocarburi denominati con le seguenti sigle:
R134a, R404a, R407c, R410a.

A seconda dell’effetto climatico che si vuole ottenere nell’ambiente, la pompa di calore assorbe o cede calore dalla sorgente: si parla così di funzionamento in raffreddamento o in riscaldamento.

Riassumendo la pompa di calore si compone di:

•    Un evaporatore che ha la funzione di scambiare calore con la sorgente fredda (assorbe il calore Q0);
•    Un compressore per innalzare la temperatura e la pressione del fluido frigorigeno allo stato di vapore surriscaldato (trasformazione adiabatica con spesa di lavoro meccanico);
•    Un condensatore che ha la funzione di scambiare calore con la sorgente calda (cessione di calore Q1 = Q0 + L);
•    Una valvola di laminazione per riportare la pressione del liquido a quella di evaporazione e raffreddarlo (il sistema non scambia ne calore ne lavoro con l’esterno)

Fisicamente il processo del ciclo frigorigeno è rappresentato nel DIAGRAMMA ENTALPIA-PRESSIONEgeotermia

Diagramma entalpia pressione

Per valutare le prestazioni energetiche della pompa di calore si descrivono due grandezze fondamentali:

1.    il coefficiente di effetto utile in regime di refrigerazione:

ε = Q0/L

2.    il coefficiente di prestazione COP (acronimo dell’inglese Coefficient Of Performance) in regime di riscaldamento:

COP = Q1/L = T1 / (T0-T1)

Dato che Q1 = Q0 + L si ottiene

COP = ε+ 1

Il COP in parole povere rappresenta il rapporto fra la potenza termica utile istantanea e la potenza di energia elettrica assorbita. Quindi il vantaggio economico ed energetico si ottiene per valori elevati di COP. In linea di massima questo vantaggio si osserva per valori di COP > 3

Le pompe geotermiche quando lavorano in bassa temperatura (35-40°C) arrivano in genere a COP > 4. In alta temperatura (>50°C) cala il COP ma in genere si mantiene maggiore di 3.

Per valutare le prestazioni energetiche della pompa di calore presenti in commercio si osservano principalmente due parametri riportati dai produttori:

•    In riscaldamento: COP (Coefficient Of Performance)
•    In raffreddamento: EER (Energy Efficiency Ratio)

Consiglio di leggere attentamente in che condizioni di temperatura e di salto termico al lato sorgente e a lato ambiente sono calcolati tali parametri. Sui manuali dei produttori si possono inoltre esaminare i valori dei parametri COP e EER in varie condizioni di temperatura sia dal lato della sorgente sia dal lato dell’impianto.

Recentemente è stato introdotto anche un altro parametro che misura l’efficienza energetica della macchina in regime stagionale, denominato con la sigla ESEER.
Anche a parità EER o COP due macchine diverse possono avere un diverso ESEER, possono cioè comportarsi diversamente in caso di funzionamento a regime parzializzato, che nel condizionamento ambientale capita per più del 90% del tempo.

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L'autore

Eris Caon

Ingegnere civile libero professionista, certificatore energetico, esperto in fonti rinnovabili, progettazione strutturale e soluzioni innovative, in particolare nella realizzazione di rinforzi strutturali con materiali compositi.

4 Commenti

  1. Pingback: Geotermia, il nuovo modo di abitare: la più straordinaria delle energie rinnovabili (l’utilizzo della temperatura del sottosuolo per estati fresche e inverni caldi, a temperatura costante) « Geograficamente

  2. Salve Ingegnere,sono ancora io…l’idraulico…..volevo porre alla sua attenzione l’enorme differenza tra la pompa di calore elettrica da lei descritta che consuma un “botto”di energia elettrica,anche se l’energia consumata è minore rispetto all’energia termica che può produrre.

    Si tratta delle molto + performanti pompe di calore ad assorbimento a gas che non hanno nessuna delle limitazioni di installazzione delle pompe elettriche,non sono soggette ad usura di parti meccaniche come ad esempio il compressore e i suoi componenti;ma sfruttano semplicemente la fisica e la peculiarità dei fluidi ad ammoniaca raggiungento valori COP che si aggirano dal 170 al 244% certificati dai maggiori istituti europei.
    (niente compressori,niente evaporatori che rischiano di congelare e impedire l’avviamento della pompa se installate all’esterno per esempio;solo scambiatori e pompe intelligenti modulanti…..)

    P.S. Le pompe di calore elettriche che che ci propinano i nostri vicini svizzeri,austriaci,tedeschi,francesi,sono convenienti per quegli stessi Paesi in cui il costo dell’energia elettrica è molto al di sotto dei nostri.Per non parlare degli incentivi che ricevono i rispettivi abitanti se installano impianti fotovoltaici e dell’ottimo prezzo dei Kw che immettono nella rete…

    Conclusione: qui in Italia l’energia elettrica costa parecchio di+ dei nostri vicini nordeuropei,pertanto è molto + conveniente la pompa di calore ad assorbimento a gas se si vuole puntare su una scelta intelligente e anche ecologica dato i rendimenti…

  3. Eris Caon

    Salve idraulico, sono d’accordo che nei Paesi esteri come Germania e Svizzera l’energia elettrica costa meno rispetto a noi, infatti chi propone la geotermia a volte la spara grande sui consumi (circa 50% rispetto al gasolio ad esempio, da noi il risparmio è qualcosa in meno per questo motivo, comunque il risparmio nei costi di gestione c’è lo stesso!). Sappiamo che l’energia elettrica è una fonte pregiata, quindi va usata con intelligenza. Le pompe ad assorbimento, soprattutto nell’ottica che potrebbero sfruttare i pannelli solari per generare il raffrescamento estivo (sembra strano ma è vero!), impiegano una piccola parte di energia elettrica e in parte combustibile gassoso (metano o gpl) con rese molto elevate. Però fino ad oggi non sono risultate economicamente convenienti, spero lo saranno presto. Inoltre sono indicate maggiormente per grandi edific. iAd esempio la Robur ha taglie minime di 35 kW, esagerate per una casa singola o una bifamiliare, che necessita di una potenza inferiore ai 10 kW se ben isolata.

  4. Salve
    pompa di calore geotermica + pannelli fotovoltaici direi che e’la soluzione ottimale, l’energia richiesta dalla pompa viene data dai pannelli, inoltre riesco ad avere incentivo ancora maggiore e non andare a credito di energia con i pannelli

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