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Pompa di calore: funzionamento e rendimento

11 minuti
aggiornato il
La pompa di calore rappresenta una valida soluzione per la climatizzazione di locali

Pompe di calore

La pompa di calore è un dispositivo capace di trasferire il calore dal luogo sorgente ad altra posizione (dissipatore) a temperatura superiore grazie all'energia elettrica.
Praticamente si tratta di una macchina capace di trasferire calore da un ambiente con temperatura più bassa ad altro ambiente a temperatura più alta.

Funzionamento della pompa di calore

E' la costituzione di un circuito chiuso che permette il funzionamento della pompa di calore, circuito chiuso che è percorso da un fluido particolare (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.

Possiamo quindi affermare che il circuito chiuso è costituito dal 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 fluido frigorigeno quindi nel suo funzionamento dapprima viene sottoposto alla compressione: a bassa pressione ed allo stato gassoso proviene dall'evaporatore e viene sottoposto ad alta pressione, si riscalda andando ad assorbire determinate quantità di calore.

Sempre il fluido frigorigeno quando proviene dalla compressione (compressore) 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 brevi righe il funzionamento della pompa di calore. Dal momento che la pompa di calore, oppure il frigorifero, utilizzano 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 la pompa di calore funzioni sfruttando le proprietà fisiche di evaporazione e di condensazione del liquido frigorigeno.

Ancor più semplicemente la pompa di calore impiega il principio geotermiche per cui il calore viene trasferito da un ambiente più freddo ad uno più caldo, ovvero l'ambiente che dobbiamo riscaldare, una sorta di frigorifero al contrario.

Rendimento delle pompe di calore

Con il termine, meglio dire con l'acronimo COP, si indica la quantità di energia consumata (ad esempio elettrica) rispetto all'energia prodotta (aria calda o fredda) da una specifica macchina. Non dobbiamo dimenticare che il C.O.P. è una definizione molto precisa in termodinamica, 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.

Molto differenti infatti risultano essere le condizioni di lavoro se l'ambiente circostante la pompa di calore sia al 10°C invece che 40°C – quindi il coefficiente di prestazione che misura l'efficienza della pompa di calore 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. di una pompa di calore può avere valori vicini a 3 (occorre ovviamente non dimenticare mai le condizioni ambientali di lavoro in cui la pompa di calore si trova a lavorare), questo significa che per 1 kWh (kilowattora) di energia elettrica consumata, la pompa di calore 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 ad influire sulla presa del dispositivo, che sia pompa di calore oppure un frigorifero.

Per quanto riguarda invece l'efficienza o rendimento il concetto 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 della pompa di calore

uno degli inequivocabili vantaggi della pompa di calore (dispositivo termodinamico capace di operare tra due sorgenti: caldo e freddo) 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 ad utilizzare molta più energia termica di quella elettrica e si rende pressoché indispensabile per provvedere al funzionamento della pompa di calore stessa.

La pompa di calore geotermica rappresenta indubbiamente una delle soluzioni molto interessanti per quelle che vengono definite energie rinnovabili, capace di assorbire calore dalla terra quindi trasferirlo nell'ambiente per 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, quindi ben si comprende come la quantità di energia prodotta sia di ben lunga maggiore di quella spesa.

Come sopra citato il rendimento della pompa di calore tende a scemare ove vi sia una maggiore discrepanza tra le temperature dell'ambiente circostante quello da riscaldare: se pensiamo che indicativamente la temperatura ad una profondità di 20 m circa sotto terra sia di 14°C PER l'impianto geotermica non sarà così difficile da riscaldare l'acqua ad una temperatura esempio intorno i 40°C, ovvio che se 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 termosifoni.

Un altro dei vantaggi principali rappresentanti dell'utilizzo delle pompe di calore geotermiche, o meglio dall'impianto completo che permette il funzionamento, sta nel fatto che per legge non è obbligatoria una previsione annuale come invece previsto per le caldaie (controllo almeno annuale da parte del personale abilitato legge 46/90 comma 1 lettera c).

Ovviamente questo non significa non eseguire controlli periodici essenziali per verificare il buon funzionamento di un qualunque e qualsivoglia impianto.

Rendimento ottimale capace di produrre molta più energia di quella consumata, assenza di obbligo annuale di revisione da parte di personale qualificato, assenza di comignolo: tutti punti a favore del risparmio.

Energia geotermica e pompa di calore

La geotermia permette di produrre energia (definita energia geotermica) sfruttando le fonti geologiche di calore rilasciata 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.

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 m – ma capaci di spingersi anche a profondità parecchio maggiori, secondo le necessità da soddisfare e le conformazioni geologiche.

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 (dalla pompa di calore) un fluido termovettore: quando il fluido termovettore viene convogliato nell'evaporatore, la pompa di calore assorbe il calore stesso, la temperatura viene ulteriormente alzato 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 dell'energia elettrica.

Come abbiamo precedentemente compreso l'energia termica prodotta dalla pompa di calore (nell'impianto geotermico) 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 ad ora 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) che rappresenta per le soluzioni più efficienti un valore superiore allo 0,6: i parametri G.U.E. non sono però confrontabile 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 raffrescamento invece che nella fase di riscaldamento.

Considerazioni sull'utilizzo della pompa di calore

La pompa di calore ben inserita ed 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 ad 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 raffrescamento 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 posizione verticale integrati nelle fondamenta della costruzione. Tanto le serpentine quanto ai pali energetici sfruttano appieno l'energia solare che è capace di riscaldare il terreno in superficie fino a raggiungere qualche metro di profondità.

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, ed il costo di realizzazione probabilmente 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 ed 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 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.

I benefici economici cui si dovrebbe godere per l'installazione di impianti energetici con un migliore impatto ambientale, per quanto riguarda l'Italia sono soggetti al volubile cambio di idea dei diversi governi che si succedono.

Purtroppo con difficoltà viene applicata una seria e valida legislatura che vada effettivamente e concretamente a premiare gli onesti, coloro che realmente si impegnano per ridurre drasticamente l'impatto ambientale di inquinamento, e punire coloro che si aggregano al carro in corsa ogni qualvolta ci sia la possibilità di usufruire dei benefici anche non meritati: mi riferisco agli speculatori, per via dei quali tutti poi si pagano le conseguenze.

Tutto è possibile naturalmente, anche prendere in considerazione l'idea di installare un impianto geotermica con pompa di calore sostituendo la vecchia caldaia; questo però comporta un notevole investimento che potrà trovare sì un riscontro per quanto riguarda il tempo di ritorno ed un migliore impatto ambientale, che inizialmente senza ombra di dubbio rappresenta una spesa importante da affrontare.

Diverso è il discorso se questo tipo di impianto viene pensato per essere installato in edifici di nuova costruzione: il tempo di ritorno sarà sicuramente più breve e l'impatto ambientale migliore andando a ridurre notevolmente l'emissione nell'ambiente ambiente di sostanze inquinanti, migliorando di conseguenza il cosiddetto effetto serra.

 

                 

 

Felice Amadeo: autore di af1.it

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