Il principio di funzionamento delle pompe di calore si basa sul trasferimento di calore da una sorgente a bassa temperatura a una sorgente a temperatura più elevata utilizzando un ciclo termodinamico. Le unità a pompa di calore sono efficienti “trasportatori” di energia tra due fonti.
Il Ciclo Termodinamico
Il ciclo di funzionamento di una pompa di calore è composto da quattro fasi:
- Compressione: Il fluido allo stato di vapore viene compresso dal compressore e aumentano sia la sua pressione che la temperatura.
- Condensazione: Il vapore compresso condensa nel primo scambiatore di calore fino a diventare completamente liquido. Il calore ceduto in questa fase del processo è propedeutico ad aumentare la temperatura dell’ambiente interno durante la funzione di riscaldamento o a smaltire esternamente il calore asportato dall’ambiente interno durante la funzione di raffrescamento.
- Espansione: La valvola di laminazione consente al liquido di diminuire la propria pressione fino al valore di ingresso al compressore, avviando al contempo il processo di evaporazione.
- Evaporazione: Questa fase si verifica nel secondo scambiatore di calore, nel quale il fluido evapora del tutto prelevando calore dall’esterno (dall’ambiente esterno durante la funzione di riscaldamento, dall’ambiente interno durante il raffrescamento).
In una prima fase, il fluido allo stato di vapore viene compresso dal compressore e aumentano sia la sua pressione che la temperatura. Nella seconda fase, il vapore compresso condensa nel primo scambiatore di calore fino a diventare completamente liquido. Nella terza fase la valvola di laminazione consente al liquido di diminuire la propria pressione fino al valore di ingresso al compressore, avviando al contempo il processo di evaporazione. La quarta e ultima fase si verifica nel secondo scambiatore di calore, nel quale il fluido evapora del tutto prelevando calore dall’esterno (dall’ambiente esterno durante la funzione di riscaldamento, dall’ambiente interno durante il raffrescamento).
Il ciclo descritto è invertibile, di conseguenza la pompa di calore è una macchina che naturalmente si presta a un utilizzo continuo durante tutto l’anno essendo capace sia di riscaldare che di raffrescare un ambiente.
Modalità di Funzionamento
Pertanto, in modalità riscaldamento, l’unità trasporta il calore dall’ambiente esterno (punto freddo) all’ambiente interno (punto caldo), ad esempio tra +10°C e -10°C e tra 17°C e 25°C , rispettivamente. Per poter eseguire questa operazione, è necessario avere un lavoro aggiuntivo. Il processo, in modalità riscaldamento, consiste nell’estrarre calore da una fonte di energia rinnovabile (aerotermica, idrotermica o geotermica) attraverso l’evaporatore e trasferirlo ad una fonte ad alta temperatura attraverso il condensatore.
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In inverno la pompa di calore riscalda l’abitazione, prendendo dall’ambiente esterno il calore immagazzinato nell’aria, nell’acqua o nel suolo e trasferendolo all’interno dei locali. Viceversa, in estate, grazie alla possibilità di inversione del ciclo, la pompa di calore segue il principio di funzionamento del frigorifero domestico. Nel periodo estivo, quindi, la nostra abitazione diventa il “contenitore” da cui la pompa di calore, in funzione di condizionamento, preleva il calore in eccesso e lo espelle all’esterno, raffrescando gli ambienti.
La pompa di calore è anche in grado di produrre acqua calda sanitaria, ovvero l’acqua che utilizziamo nei nostri bagni e nelle nostre cucine. L'acqua calda sanitaria viene riscaldata in appositi serbatoi di accumulo e distribuita attraverso le normali tubazioni idrauliche esistenti all’interno degli edifici.
Tipologie di Pompe di Calore
Esistono molteplici tipologie di macchina frigorifera/pompa di calore, a seconda del funzionamento e della modalità con cui viene fornita l’energia meccanica:
- Macchine frigorifere/pompe di calore a compressione di vapore elettriche (il motore del compressore è alimentato elettricamente) EHP (Electric Heat Pump);
- Macchine frigorifere/pompe di calore a compressione di vapore a gas (il motore del compressore è alimentato da un sistema a combustione interna) GHP (Gas Heat Pump);
- Macchine frigorifere/pompe di calore ad assorbimento (il compressore è sostituito da un assorbitore e un generatore) AHP (Absorption Heat Pump).
Efficienza Energetica
La prestazione energetica della macchina frigorifera o pompa di calore si misura attraverso un coefficiente adimensionale pari al rapporto tra la finalità e la spesa energetica:
- Macchina frigorifera - l’efficienza energetica si misura attraverso il parametro EER (energy efficienty ratio) che rappresenta il rapporto tra l’energia termica da sottrarre al SET a temperatura inferiore e l’energia meccanica spesa.
- Pompa di calore - il COP, coefficiente di prestazione, rappresenta il rapporto tra l’energia termica da fornire al SET a temperatura superiore e l’energia meccanica spesa.
Se consideriamo una macchina frigorifera e una pompa di calore reversibili, ossia ideali, il rendimento è funzione solo delle temperature dei SET A e B:
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- - Lrev rappresenta il minimo lavoro necessario per sottrarre la quantità di energia termica QB al SET a temperatura TB
- - Lrev rappresenta il minimo lavoro necessario per fornire la quantità di energia termica QA al SET a temperatura TA.
Dalle formule, emerge che l’efficienza energetica della macchina frigorifera ideale diminuisce all’aumentare della temperatura esterna TA, perché aumenta il denominatore; analogamente, per la pompa di calore, il COP diminuisce al diminuire della temperatura esterna TB. Il sistema va in sofferenza quando vi è la maggiore necessità di raffrescare o riscaldare!
Il rapporto tra la prestazione di una macchina reale e quella di una macchina ideale è definito rendimento di secondo principio, è minore o uguale all’unità e ci dice quanto la macchina reale si discosta da quella ideale:
0 ≤ EER < EERrev < ∞
1 ≤ COP < COPrev < ∞
Pompe di Calore Reversibili
Le pompe di calore reversibili possono trasferire calore da un edificio all’ambiente naturale. In altre parole, in una pompa di calore, l’energia elettrica consumata dal compressore, e fornita dal motore di azionamento, viene convertita in calore che viene trasmesso al refrigerante durante il processo di compressione, di conseguenza il calore ceduto all’hot spot (Q 2 ) sarà uguale al calore estratto dalla sorgente fredda (Q 1 ) più il calore associato al lavoro di compressione (W).
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Il diagramma Temperatura (T) - Entropia specifica (s) di una pompa di calore è analogo a quello di una macchina termica (vedi ciclo di Carnot) ma percorso al contrario cioè non in senso orario bensì antiorario. Le due temperature T1 e T2 sono le due temperature rispettivamente dell'ambiente a cui la pompa di calore sottrae calore e dell'ambiente in cui invece lo riversa. Le trasformazioni 2-3 e 4-1 si trovano rispettivamente infinitesimamente poco più in alto di T2 e poco più in basso di T1.
Vantaggi delle Pompe di Calore
Finora abbiamo avuto modo di elencare una serie di vantaggi offerti dalla pompa di calore: dall’utilizzo di fonti di energia rinnovabile all’incremento dell’efficienza energetica, passando per la riduzione dei consumi e dei costi in bolletta.
Incentivi e Detrazioni Fiscali
Il conto termico è un incentivo introdotto nel 2012 con lo scopo di sostenere l’incremento dell’efficienza energetica e la produzione di energia termica proveniente da fonti rinnovabili. Nel 2023 si parla più propriamente del conto termico 2.0, che entra in gioco per tutti i sistemi di climatizzazione a pompa di calore con coefficienti di prestazione tra 3,9 e 5,1, solo per sostituzione di impianti precedenti. Per usufruire del Superbonus al 90% per l’installazione di una pompa di calore è necessario aver effettuato un doppio salto di classe energetica, così da godere della detrazione dall’Irpef nei successivi 5 anni. L’ecobonus è applicabile per tutti i sistemi di climatizzazione con pompa di calore ad alta efficienza, per portare in detrazione dall’Irpef o dall’Ires il 65% della spesa, per i successivi 10 anni. Questa detrazione per le ristrutturazioni edilizie è prevista per qualsiasi pompa di calore, anche non ad alta efficienza, purché finalizzata al risparmio energetico.
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