| Indice della pagina |
Introduzione
La pompa di calore è una macchina in grado di trasferire calore da un fluido a temperatura più bassa (sorgente fredda) ad un fluido a temperatura più alta, utilizzando scambi termici possibili grazie al circuito termodinamico interno alla macchina. L’alimentazione di una pompa di calore elettrica e dei suoi processi termodinamici interni avviene con energia elettrica oppure, nelle più recenti pompe di calore ad assorbimento, anche con gas metano o GPL.
Esempi comuni di macchine di questo tipo sono:
- refrigeratori;
- condizionatori d’aria;
- pompe di calore a compressione di gas;
- pompe di calore ad assorbimento a gas metano(o GPL);
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 che di estrarre calore da uno o più locali di un edificio. Torna all’inizio dell’articolo
Funzionamento
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) oppure alle modalità di trasmissione del calore:
- versione aria-acqua: detta anche ad energia aerotermica (vedi il video “La pompa di calore ad assorbimento AEROTERMICA” sul canale YouTube di ROBUR), la pompa di calore preleva calore dall’aria esterna (per mezzo di una batteria alettata posta a contatto con l’aria esterna) e lo trasferisce all’ambiente da riscaldare tramite acqua calda;
- versione acqua-acqua: la pompa di calore preleva calore dal terreno (pompa di calore geotermica; vedi il video “La pompa di calore ad assorbimento GEOTERMICA” sul canale YouTube di ROBUR) o da una massa d’acqua (pompa di calore idrotermica; vedi il video “La pompa di calore ad assorbimento IDROTERMICA” sul canale YouTube di ROBUR) per mezzo di uno scambiatore immerso nel terreno o in un flusso d’acqua (lago, fiume, falda acquifera) e lo trasferisce all’ambiente da riscaldare tramite acqua calda;
- versione aria-aria: la pompa di calore preleva calore dall’aria esterna (per mezzo di una batteria alettata posta a contatto con l’aria esterna) e lo trasferisce all’ambiente da riscaldare sottoforma di aria calda; tipico esempio sono i comuni apparecchi denominati “split”;
- versione acqua-aria: la pompa di calore preleva calore da una massa d’acqua (per mezzo di uno scambiatore immerso in un flusso d’acqua proveniente da laghi, fiumi, o dal sottosuolo) lo trasferisce all’ambiente da riscaldare sottoforma di aria calda. Questo tipo di apparecchio è nettamente il meno diffuso.
Di seguito una spiegazione intuitiva di come funziona una pompa di calore. Si immaginino 100 unità di energia termica all’interno di un pallone da calcio; quest’ultimo è poi compresso fino alle dimensioni di una pallina da ping pong: a questo punto esso contiene le stesse 100 unità, ma l’energia termica media per unità di volume è molto maggiore. In altre parole 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 più velocemente. Per portare questo calore in un altro luogo, si può immaginare di muovere la pallina in una zona fredda, dove essa gradualmente aggiusterà 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 parecchio calore, nel momento in cui ritorna alle dimensioni di un pallone da calcio, la sua temperatura risulta troppo bassa e quindi inizia ad assorbire energia termica e a raffreddare l’aria circostante.
Il compressore di una pompa di calore elettrica crea proprio la differenza di pressione che permette al ciclo di ripetersi (similmente alla palla che si espande e si contrae): esso pompa il fluido refrigerante attraverso l’evaporatore, dove appunto evapora a bassa pressione assorbendo calore, in seguito lo comprime e lo spinge all’interno del condensatore, dove condensa ad alta pressione rilasciando il calore precedentemente assorbito. Il fluido refrigerante cambia di stato all’interno dei due radiatori: nell’evaporatore passa da liquido a gassoso, nel condensatore passa da gassoso a liquido. Torna all’inizio dell’articolo
Le pompe di calore ad assorbimento a metano/GPL
Una pompa di calore ad assorbimento a gas si differenzia da quella elettrica sostanzialmente in quanto:
- utilizza un bruciatore a gas anziché un compressore elettrico;
- utilizza una soluzione di acqua e ammoniaca anziché fluidi sintetici (HFC).
Schema sintetico del funzionamento di una pompa di calore elettrica:
Schema di funzionamento di una pompa di calore ad assorbimento a gas metano:
Il ciclo termodinamico di una pompa di calore ad assorbimento è simile a quello di una pompa di calore elettrica, ma si differenzia nella parte di innalzamento della pressione. Infatti il compressore è sostituito da un generatore e da un assorbitore. Il generatore viene scaldato per mezzo di un bruciatore a gas metano (o GPL) facendo aumentare la temperatura della soluzione di acqua e ammoniaca. Quest’ultima si separa e segue il ciclo termodinamico tipico dei circuiti tradizionali, mentre l’acqua impoverita dall’ammoniaca viene inviata all’assorbitore, nel quale incontra nuovamente l’ammoniaca calda e gassosa che ha assorbito calore dall’evaporatore, facendo condensare. La soluzione liquida ricca di ammoniaca viene quindi inviata nuovamente al generatore per essere nuovamente riscaldata e rimessa in circolo all’interno di un circuito perfettamente ermetico. Torna all’inizio dell’articolo
L’energia rinnovabile
Come detto, le pompe di calore sono in grado di utilizzare il calore a bassa temperatura presente nell’ambiente esterno, quindi, di fatto, l’energia rinnovabile disponibile in natura, e trasferirlo all’ambiente interno da riscaldare. L’energia rinnovabile utilizzabile è presente sottoforma di calore in:
- ARIA (energia aerotermica): le pompe di calore prelevano il calore dall’aria esterna per mezzo di una batteria alettata e di un ventilatore posti all’esterno.
- ACQUA (energia idrotermica): il calore presente in grossi bacini idrici (fiumi, laghi, falde acquifere) può essere recuperato dalla pompa di calore per mezzo di scambiatori di calore immersi nel fluido di scambio.
- TERRA (energia geotermica): per mezzo di apposite tubazioni immerse nel terreno (sonde geotermiche) collegate ad una pompa di calore è possibile assorbire calore presente nel terreno.
Torna all’inizio dell’articolo
Efficienza
La resa di una pompa di calore elettrica è misurata dal coefficiente di prestazione, COP (Coefficient Of Performance), dato dal rapporto tra energia resa ed energia elettrica consumata usualmente indicato in fisica tecnica come coefficiente di effetto utile. Un valore del COP pari, ad esempio, a 3 indica che per ogni kWh d’energia elettrica consumato, la pompa di calore renderà 3 kWh di calore.
La resa di una pompa di calore ad assorbimento a gas metano (o GPL) è definita dal GUE (Gas Utilization Efficiency), dato dal rapporto tra l’energia resa (alla sorgente di interesse) e l’energia termica consumata dal bruciatore a gas. Un valore di G.U.E. pari, ad esempio del 154%, indica che per ogni kWh termico consumato, la pompa di calore ad assorbimento rende 1,54 kWh sottoforma di acqua calda.
E’ a questo punto opportuno precisare la differenza tra il valore di COP espresso per una pompa di calore elettrica, e il GUE, che esprime le prestazioni di una pompa di calore ad assorbimento a gas metano (o GPL).
Il COP è il rapporto tra l’energia erogata e quella (elettrica) assorbita dalla pompa di calore. Per il suo funzionamento quindi, una pompa di calore elettrica utilizza dell’energia elettrica, che viene prodotta all’interno di una centrale e quindi distribuita. Se valutiamo quindi il COP in base a tutta l’energia utilizzata per ottenere una certa potenza termica della pompa di calore, dobbiamo tenere in conto il rendimento della centrale elettrica che ha prodotto l’energia elettrica che aziona la pompa di calore. Considerando un valore di rendimento medio della produzione e distribuzione dell’energia elettrica in Italia pari al 36 %, dobbiamo considerare quindi che per ogni kWh prodotto è stato necessario consumare circa 3 kWh di energia (sottoforma di combustibili quali gas, gasolio e carbone). Il COP calcolato quindi sul rapporto di energia primaria (PER) sarà quindi da moltiplicare per 0,36, ottenendo quindi il rapporto tra l’energia termica fornita e quella totale consumata, non solo dalla pompa di calore nel sito di installazione, ma anche quella che è stata necessaria per produrre l’energia elettrica consumata sul sito.
Ritornando alle 2 tipologie di pompe di calore:
- per quella ad assorbimento il GUE è in pratica lo stesso valore del PER (in quanto il metano viene estratto e distribuito senza richiedere altre trasformazioni);
- per quella elettrica il PER deve essere calcolato tenendo conto del rendimento della centrale elettrica. Se prendiamo come riferimento il rendimento di trasformazione indicato dal D. Lgs n. 192/05, pari al 36 %, otteniamo che il PER è pari a : COP x 0,36 . Per una pompa di calore elettrica con COP uguale a 3 : PER = 3 x 0,36 = 1,08.
Il fatto che il valore ottenuto sia maggiore del 100% non vuole significare che queste macchine sono in grado di “produrre più energia di quanta ne consumano”, ma semplicemente che ci troviamo di fronte a macchine con ciclo termodinamico aperto, cioè in grado di sommare l’energia consuma a quella “prelevata” dall’ambiente esterno, (cioè utilizzano energie rinnovabili).
E’ opportuno fare notare che, quando c’è una notevole differenza di temperatura tra l’interno da riscaldare e l’esterno dal quale prelevare calore, per esempio quando si vuole riscaldare una casa in una rigida giornata invernale, è necessario più lavoro per trasferire il calore all’interno. Se la pompa di calore è all’esterno, è possibile che il COP di una macchina elettrica scenda sotto 1 e che l’umidità dell’aria tenda a ghiacciarsi sulle alette del dispositivo (con conseguente obbligo di discioglierla periodicamente).
Per le pompe di calore ad assorbimento, dato il particolare ciclo termodinamico, non vi sono particolari limiti di temperatura esterna, infatti il GUE rimane a valori sopra 1 anche se la temperatura esterna scende a –20°C. Tale condizione è possibile grazie al fatto che la pompa di calore ad assorbimento funziona con un bruciatore a gas e quindi somma la potenza del gas bruciato (come in una caldaia a condensazione) a quella dell’energia termica assorbita dall’aria esterna, anche se molto fredda.
Le pompe di calore ad assorbimento a metano sono disponibili anche nella versione reversibile, cioè in grado di invertire il ciclo interno per produrre anche acqua fredda. La pompa di calore è solitamente più efficiente nel riscaldamento che nel raffreddamento, dato che la macchina utilizza per il suo funzionamento (estivo o invernale) sempre anche una parte di calore.
Le pompe di calore assorbimento sono attualmente in rapida crescita in quanto sono la sintesi dei vantaggi offerti oggi dalle 2 tecnologie di riscaldamento più conosciute : la caldaia e la pompa di calore elettrica.
Hanno i vantaggi di una caldaia in quanto funzionano a gas (largamente diffuso su tutto il nostro territorio), non utilizzano refrigeranti sintetici dannosi all’ambiente, richiedono minimi impegni di energia elettrica. Offrono i vantaggi di una pompa di calore elettrica in quanto possono utilizzare energie rinnovabili, non richiedono l’utilizzo di centrali termiche e sono in grado di fare condizionamento estivo. Torna all’inizio dell’articolo
Funzionamento in riscaldamento
Quando la macchina lavora in modalità riscaldamento si hanno le condizioni meno note ed interessanti rispetto alle caldaie o alle pompe di calore elettriche:
- La GAHP nella versione ad aria, con un input di circa 25 kW fornisce una resa termica di oltre 38 kW termici, con acqua a 50°C di temperatura in mandata.
- Come in tutte le pompe di calore ad aria, la potenza termica fornita da una GAHP diminuisce al diminuire della temperatura dell’aria esterna (a parità di temperatura dell’acqua calda fornita); ma nel caso di una pompa di calore ad assorbimento la diminuzione della resa termica è molto limitata, mentre quella delle pompe di calore elettriche è molto accentuata, tanto che al disotto di un valore di temperatura dell’aria di circa – 5°C l’efficienza è talmente bassa da non renderla più conveniente.
Inoltre l’efficienza della GAHP resta sempre maggiore di quella di una caldaia a condensazione fino a temperature ambiente di –10°C, e anche a temperature di –20°C l’efficienza si mantiene attorno al 100%. - Defrosting (formazione di brina e ghiaccio sulla batteria alettata in alcune condizioni atmosferiche). La condizione di batteria completamente occlusa da brina non costituisce un limite di funzionamento per questa tipologia di pompe di calore: nel peggior caso di batteria totalmente ghiacciata la macchina perde la parte di calore recuperato dall’aria esterna ma continua a fornire una potenza di circa 25 kW, la potenza fornita al sistema dal bruciatore. La macchina è comunque equipaggiata con un sistema di sbrinamento della batteria alettata (ciclo automatico di defrosting), durante il quale la macchina continua comunque a fornire una potenza termica utile di circa 15-18 kW. IL ciclo di defrosting ha una durata media di pochissimi minuti.
Torna all’inizio dell’articolo
Funzionamento in condizionamento
Il ciclo in modalità condizionamento è sostanzialmente uguale al quello delle versioni dei refrigeratori ad assorbimento a gas metano Robur. Nella versione di pompa di calore ad assorbimento reversibile, una valvola di inversione interna permette di scambiare la funzione dell’evaporatore con il condensatore/assorbitore. In tal modo l’unità fornisce acqua fredda fino a temperature di 3°C utilizzando lo stesso bruciatore e la stessa fonte di energia primaria (gas metano). Torna all’inizio dell’articolo
Rapporto termico – frigorifero per il dimensionamento
Una GAHP reversibile ha una potenza termica circa doppia rispetto a quella frigorifera, mentre nelle pompe di calore elettriche la potenza termica è circa pari a quella frigorifera. Il mix di potenzialità caldo-freddo 2:1 è particolarmente indicato per i climi temperati e continentali, che coprono la maggior parte dell’Europa. Tale rapporto permette di utilizzare le potenze estive ed invernali della pompa di calore al meglio, senza necessità di integrare la potenza termica con una caldaia, oppure sovradimensionare l’impianto in condizionamento per avere la giusta quantità di potenza termica. Torna all’inizio dell’articolo
Pompe di calore ad assorbimento geotermiche
Un’applicazione sempre più diffusa per il recupero di energia rinnovabile è quella geotermica, che offre diversi vantaggi, tra cui:
- recupera energia gratuita dal terreno;
- non richiede apparecchiature dotate di ventilatore per il recupero di calore dall’aria esterna;
- la temperatura del terreno è pressoché costante per tutto l’anno, quindi non è influenzata dalle condizioni climatiche esterne.
Un impianto di riscaldamento geotermico è realizzato per mezzo di una pompa di calore collegata ad una serie di sonde geotermiche, cioè una serie di tubazioni idrauliche che vengono opportunamente immerse nel terreno a varie profondità. In funzione della quantità di energia che si vuole assorbire, le sonde possono avere diverse lunghezze e diverse conformazioni. In linea di massima le sonde possono essere installate in orizzontale, cioè poste a poche decine di centimetri sotto il suolo e distribuite in orizzontale, oppure in verticale, cioè inserire nel suolo per mezzo di una trivellazione che può raggiungere anche qualche centinaia di metri di profondità. Queste ultime hanno il vantaggio di occupare meno spazio in pianta e di usufruire di un maggiore calore del terreno. Torna all’inizio dell’articolo
