Pompa di calore: funzionamento, rendimento

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Pompa di calore
(photo by Foto di PIRO4D da Pixabay)

Pompa di calore: trasferisce il caldo dal luogo sorgente ad altra posizione (dissipatore) a temperatura superiore grazie all'energia elettrica.


Pompa di calore: caldo dalla sorgente

La pompa di calore, è una macchina capace di trasferire caldo da un ambiente con temperatura più bassa, ad altro ambiente a temperatura più alta, e viceversa. Un dispositivo termodinamico, in grado di operare tra due sorgenti: caldo, e freddo.

Funzionamento

È la costituzione di un circuito chiuso, che permette il funzionamento della pompa di calore, circuito chiuso che è percorso da un fluido (denominato fluido frigorigeno o più volgarmente e meno correttamente refrigerante), secondo le condizioni di pressione e di temperatura alle quali il frigorigeno in questione si trovi, assume lo stato di vapore, oppure liquido.

Il circuito chiuso è costituito da:

• compressore;

• condensatore;

• valvola di espansione;

• evaporatore.

Tanto il condensatore, quanto l'evaporatore, sono composti da scambiatori di calore, ovvero parti meccaniche poste a contatto con acqua o con aria, parti meccaniche nelle quali scorre appunto il liquido frigorigeno.

Il liquido frigorigeno

Il fluido frigorigeno (fluido refrigerante), nel suo funzionamento, dapprima viene sottoposto alla compressione.

A bassa pressione e allo stato gassoso, proviene dall'evaporatore, e viene sottoposto ad alta pressione, si riscalda andando ad assorbire determinate quantità di calore.

Sempre questo fluido, quando proviene dalla compressione, dallo stato gassoso passa allo stato liquido, cedendo calore all'esterno.

Quando invece, il suddetto fluido viene convogliato attraverso la valvola di espansione, trasformandosi parzialmente in vapore viene raffreddato, mentre quando assume calore dall'esterno evapora nella sua totalità.

Ecco spiegato quindi in poche righe, il funzionamento.

Dal momento che viene utilizzato un determinato carico di lavoro, per spostare il liquido frigorigeno, la quantità di energia che viene depositata sul lato caldo è maggiore di quella prelevata dal lato freddo.

Ecco dunque spiegato come funziona, sfruttando le proprietà fisiche di evaporazione e di condensazione del liquido frigorigeno.

Ancor più semplicemente, impiega il principio geotermico per cui il calore viene trasferito da un ambiente più freddo a uno più caldo.

Ovvero; l'ambiente che dobbiamo riscaldare. Una sorta di frigorifero al contrario.

Rendimento delle pompe di calore

Con l'acronimo COP (Coefficient Of Performance), si indica la quantità di energia consumata, rispetto all'energia prodotta (aria calda o fredda), da una specifica macchina.

Non dimenticare che il C.O.P. è una definizione molto precisa in termodinamica: se vuoi approfondire riguardo il coefficiente di prestazione, puoi leggere la pagina su Wikipedia per approfondire.

Dunque, quando si parla di efficienza solo per indicare tot lavoro svolto tot energia prodotta, è opportuno fare un distinguo e non confondere quest'ultima con il C.O.P.

Senza voler entrare nel merito di specifiche competenze di fisica, o termodinamica (che poi è una branca della fisica e della chimica), per stabilire il coefficiente di prestazione è opportuno avere un'idea chiara su quello che sarà l'ambiente circostante la pompa di calore in funzione.

In quanto il C.O.P. andrà a misurare l'efficienza energetica del dispositivo in rapporto all'ambiente in cui si trova.

Misurazione dell'efficienza

Molto differenti risultano essere le condizioni di lavoro, se l'ambiente circostante fosse a 10°C invece che 40°C.

Quindi il coefficiente di prestazione che misura l'efficienza della resa, definisce il rapporto (ratio) tra la quantità di calore prodotto (o trasportato), e la quantità di energia spesa per produrre, trasportare, tale calore.

Indicativamente, il C.O.P. in questo caso può avere valori vicini a 3: occorre non dimenticare mai le condizioni ambientali di lavoro in cui la macchina si trova a lavorare.

Questo significa che per 1 kWh (kilowattora) di energia elettrica consumata, andrà a fornire 3 kWh di calore.

Indicativamente 3, ma potenzialmente capace di raggiungere livelli ben più alti se le condizioni ambientali risultano essere particolarmente favorevoli.

Abbiamo compreso infatti, quanto la temperatura dell'ambiente circostante vada a influire sul lavoro del dispositivo, che sia un supporto per riscaldare, invece che un frigorifero.

Efficienza e rendimento

Per quanto riguarda invece l'efficienza o rendimento, il concetto è piuttosto chiaro; ogni apparecchio dispone di ingresso e uscita (input/output), quindi si può avere per un certo quantitativo di energia elettrica in ingresso, un dato quantitativo di energia meccanica in uscita.

Il rapporto tra energia elettrica ed energia meccanica, è stabilito dall'efficienza, energia utile totale in uscita diviso l'energia totale immessa in ingresso.

In poche parole il C.O.P. si può definire sì come energia utile totale in uscita, diviso la sola energia immessa utile al funzionamento del dispositivo.

Logico intuire come il coefficiente di prestazione possa diventare maggiore, quindi aumentare il rendimento, quanto più la temperatura del calore erogato è bassa.

Utilizzo

Uno degli inequivocabili vantaggi della pompa di calore, è che può essere utilizzata per produrre caldo in inverno e fresco d'estate.

La convenienza principale di questo dispositivo termodinamico, si trova nel fatto che riesce a utilizzare molta più energia termica di quella elettrica; e si rende pressoché indispensabile per provvedere al funzionamento.

Pompa di calore geotermica

Rappresenta indubbiamente una delle soluzioni molto interessanti per quelle che vengono definite energie rinnovabili.

È capace di assorbire calore dalla terra, quindi trasferirlo nell'ambiente da riscaldare per quanto riguarda le stagioni fredde.

Mentre durante le stagioni calde, può effettuare un procedimento inverso, ovvero trasferire eccesso di calore presente nell'abitazione al terreno sottostante.

Con 1 kWh di energia elettrica si possono arrivare a produrre 5 kWh di energia termica.

Ben si comprende come la quantità di energia prodotta sia di ben lunga maggiore di quella spesa.

Condizioni ideali per un buon rendimento

Come sopra citato, il rendimento tende a scemare ove vi sia una maggiore discrepanza tra la temperatura dell'ambiente circostante quello da riscaldare.

Indicativamente, la temperatura a una profondità di 20 metri circa sotto terra, è di 14°C.

Per l'impianto geotermico non sarà così difficile riscaldare l'acqua, a una temperatura esempio intorno ai 40°C.

Se l'energia dovesse venire prelevata dall'aria circostante l'ambiente da riscaldare, aria che ipoteticamente risulta essere di pochi gradi sotto lo zero, occorrerà certamente un maggiore dispendio di energia per portare la temperatura dell'acqua a 70°C per riscaldare i caloriferi.

Energia geotermica

La geotermia (treccani.it), permette di produrre energia (definita energia geotermica) sfruttando le fonti geologiche di calore rilasciate in maniera naturale dalla Terra.

Quando un impianto vede l'abbinamento della sonda geotermica, la pompa di calore (reversibile) questa risulta in grado di riscaldare l'ambiente delle stagioni fredde prelevando calore dal terreno.

E viceversa, nelle stagioni calde di lasciare il calore prelevato dall'ambiente da rinfrescare.

Misurazioni del terreno per sfruttare l'energia geotermica

In questo tipo di impianto, il terreno viene impiegato praticamente come un serbatoio di calore, terreno in cui vengono eseguite delle perforazioni del diametro indicativo di 10, 15 cm a seconda dell'impianto da realizzare e della capienza dell'ambiente che deve essere riscaldato, con profondità capaci di arrivare da 100 a 130 metri, ma capaci di spingersi anche a profondità parecchio maggiori, secondo le necessità da soddisfare e le conformazioni geologiche del terreno.

Indipendentemente dalle escursioni termiche stagionali e/o giornaliere, la temperatura a queste profondità è capace di mantenersi indicativamente attorno ai 14°C.

All'interno delle perforazioni eseguite, vengono inseriti dei condotti, dove al loro interno verrà fatto circolare un fluido termovettore.

Quando il fluido viene convogliato nell'evaporatore, la macchina assorbe il calore, la temperatura viene ulteriormente alzata grazie all'utilizzo del compressore, e grazie poi al condensatore, il calore viene ceduto nell'ambiente circostante.

Tutto questo, si rende possibile con l'impiego di energia elettrica.

Maggiore resa dell'impianto geotermico

Come abbiamo precedentemente compreso, l'energia termica prodotta nell'impianto geotermico, è in ottima misura superiore all'energia elettrica adoperata per permettere il funzionamento dell'impianto stesso.

Un impianto di questo tipo riesce a raggiungere un C.O.P. intorno a 4,5 – 5 kWh per ogni kWh elettrico consumato.

Fino a questo punto dell'articolo, i valori di C.O.P. si riferivano esclusivamente a pompe di calore funzionanti grazie all'energia elettrica.

Per quanto riguarda invece quelle il cui funzionamento dipende dal gas, il parametro di riscontro è il G.U.E. (Gas Utilization Efficiency).

Rappresenta per le soluzioni più efficienti un valore superiore allo 0,6: i parametri G.U.E. non sono però confrontabili con quelli C.O.P. in quanto parliamo di valori differenti, quindi non equiparabili.

Ricordiamo inoltre che l'acronimo E.E.R. (Energy Efficiency Ratio), indice di efficienza energetica, viene solitamente impiegato per rappresentare il rendimento delle pompe di calore durante la fase di raffreddamento invece che nella fase di riscaldamento.

Considerazioni sull'utilizzo

Quando ben inserita, e adeguatamente installata all'interno di un impianto geotermico, può rappresentare un'alternativa molto interessante alla tipologia di riscaldamento tradizionale, capace di riscaldare l'ambiente nelle stagioni fredde e di rinfrescare in quelle calde.

Sono impianti in grado di riscaldare l'acqua tranquillamente a una temperatura di 45, 50°C quindi capaci di soddisfare la necessità di avere l'acqua calda per i sanitari.

La possibilità di installare le sonde geotermiche rende possibile avere in un unico impianto, riscaldamento per l'inverno e raffreddamento per l'estate.

Il fluido termovettore, solitamente è composto da glicole propilenico, con caratteristiche anticorrosive e antigelo.

Quando non vi è la possibilità di installare le sonde geotermiche, si può optare per l'impiego di serpentine e pali energetici.

Le prime vengono installate nel terreno disposte in maniera orizzontale a pochi metri di profondità, i pali energetici in posizione verticale integrati nelle fondamenta della costruzione.

Tanto le serpentine quanto i pali energetici, sfruttano appieno l'energia solare che è capace di riscaldare il terreno in superficie, fino a raggiungere qualche metro di profondità.

Impianto geotermico sul lungo periodo

I cosiddetti pozzi di captazione, utilizzano l'acqua di falda sia come sorgente per l'energia termica che per il fluido termovettore.

Il flusso di acqua deve essere indubbiamente sufficiente al fabbisogno dell'impianto, e il costo di realizzazione probabilmente è più costoso.

Tanto per quanto riguarda le pompe di calore, quanto per le sonde geotermiche, solitamente i costruttori garantiscono la durata di molti anni.

È possibile stimare la durata media di una pompa di calore, al pari di una comune e tradizionale caldaia per riscaldamento.

La durata invece delle sonde, risulta di gran lunga superiore, e anche in questo caso la garanzia del costruttore è solitamente più estesa in termini di tempo.

Uno dei parametri molto importanti cui pensare, è il risparmio che si può avere nel giro di qualche anno, il cosiddetto tempo di ritorno, ovvero il tempo utile ad ammortizzare la spesa sostenuta inizialmente.

Non bisogna nemmeno dimenticare che l'impatto ambientale di gran lunga migliore, rispetto a sistemi di riscaldamento tradizionali, o comunque confrontando le pompe di calore con altre tipologie di impianti che inquinano di più.

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Felice Amadeo - af1.it
Dal 2006 lavoro con internet, scrivo i contenuti e provvedo alla gestione del sito. Ho conosciuto WordPress tanti anni fa, e dal 2013 uso questo.
Invecchiando, ho scoperto che mi piace portare il cappello.