Pompa di calore: funzionamento e rendimento

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

La pompa di calore trasferisce il caldo 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.

  1. Funzionamento
  2. Rendimento
  3. Utilizzo
  4. Energia geotermica
  5. Considerazioni

Funzionamento della pompa di calore

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, 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, 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 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 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 geotermico 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 l'acronimo COP, si indica la quantità di energia consumata 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.

Misurazione dell'efficienza della pompa di calore

Molto differenti risultano essere le condizioni di lavoro, se l'ambiente circostante la pompa di calore sia a 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 sul lavoro del dispositivo, che sia pompa di calore oppure 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 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.

Pompa di calore geotermica

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

Condizioni ideali per un buon rendimento della pompa di calore

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

Indicativamente, la temperatura ad una profondità di 20 metri circa sotto terra è di 14°C, l'impianto geotermico non sarà così difficile da riscaldare l'acqua ad una temperatura esempio intorno i 40°C.

Ovvio che 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 termosifoni.

Rendimento ottimale capace di produrre molta più energia di quella consumata, assenza di comignolo: 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.

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

Maggiore resa dell'impianto geotermico

Come abbiamo precedentemente compreso, l'energia termica prodotta dalla pompa di calore (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 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 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 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 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 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.

Impianti geotermici 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, 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.

Benefici economici

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 geotermico 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 in classe A: 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

af1.it è mantenuto dalla mia passione.
Se vuoi sostenere af1.it dai il tuo contributo.
PayPal.me af1it

Se qualche articolo ti è piaciuto e vuoi dare un contributo, ti ringrazio.

Tanti anni fa, quando c'erano ancora le lire, un bravo artista di strada, terminata la sua esibizione di giocoliere disse alla folla intorno: se il mio spettacolo vi è piaciuto, dimostratemelo, se non vi è piaciuto scrivetelo su “un deca…”

(un deca, le vecchie 10.000 lire…)
So smile & stay in touch !!!

3 Comments