Le pompe di calore

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.
La 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-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.