Pompe di calore

Pompe di calore

Pompe di calore

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

Esempi comuni di macchine di questo tipo sono:

  • refrigeratore;
  • condizionatore d'aria;
  • pompa di calore a compressione di gas;
  • pompa di calore ad assorbimento;
  • pompa di calore a cambiamento di fase;
  • pompa di calore termoelettrica a effetto Peltier;
  • pompa di calore a scambio geotermico;
  • Vortex, detto anche tubo di Ranque-Hilsch.

 

Si noti che, nel campo di condizionamento dell'aria, il termine pompa di calore è specificamente riferito ad un condizionatore d'aria con valvola reversibile, che cambia la direzione di scorrimento del fluido refrigerante e permette così sia di apportare sia di estrarre calore da un locale di un edificio.

 

Funzionamento

Principio di funzionamento di una pompa di calore:

  • condensatore,
  • Valvola di laminazione,
  • evaporatore,
  • compressore.

 

Le pompe di calore funzionano grazie a diversi principi fisici, ma sono classificate in base alla loro applicazione (trasmissione di calore, fonte di calore, dispersore di calore o macchina refrigeratrice).

Si immaginino 100 unità di energia termica all'interno di un pallone; questo viene compresso fino a raggiungere le dimensioni di una pallina da ping pong: questa pallina contiene le stesse unità di energia, ma l'energia termica per unità di volume è maggiore e la temperatura dell'aria all'interno della palla è aumentata.

Le pareti della pallina si riscaldano e quindi il calore inizia a trasferirsi all'esterno. Per portare questo calore in un altro luogo, si può immaginare di muovere la pallina in una zona fredda, dove essa gradualmente varierà la sua temperatura fino a uguagliare la temperatura dell'ambiente: in questo processo si ipotizza che essa trasferisca 50 unità di energia termica.

Dopo che la pallina si è raffreddata, la si può riportare nella zona iniziale e lasciarla espandere. Dato che ha perso calore, nel momento in cui torna alle dimensioni di un pallone la sua temperatura è troppo bassa e quindi inizia ad assorbire energia termica, raffreddando l'aria circostante.

Il compressore di una pompa di calore crea proprio la differenza di pressione che permette al ciclo di funzionare (similmente alla palla che si espande e si contrae): esso 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

Quando si confrontano le prestazioni di pompe di calore, si evita l'utilizzo del termine "rendimento", poiché per definizione esso non può mai essere maggiore di 1. È preferibile l'utilizzo del termine "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 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. Nel caso ideale di macchina di Carnot a senso inverso (le si fornisce lavoro e si ottiene calore), tra sorgenti rispettivamente a 0 °C e 20 °C, il COP è pari a 15 (rapporto 1:15 tra il lavoro delle resistenze elettriche e il calore ottenuto). Macchine simili sono efficienti, ma il loro costo d'impianto è elevato.

In un caso reale, con un clima mite, una pompa di calore ha un COP che va da 3 a 4 (mediamente a 10 °C raggiunge 3,3, invece a −8,3 °C è circa 2,3).[3] Una classica stufetta elettrica ha un COP teorico pari a 1. In altre parole 1 joule di energia elettrica dato alla stufetta dà calore pari a 1 J, mentre dato ad una pompa di calore muove più di 1 J di energia termica da un luogo freddo a uno caldo.

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.[5]

Applicazioni tipiche delle pompe di calore sono per riscaldare le piscine e l'acqua per usi domestici.

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