Il sistema di generazione di un impianto di climatizzazione di un edificio può essere costituito da una pompa di calore o macchina frigorifera. La macchina frigorifera e la pompa di calore sono spesso costituite da un unico apparato invertibile, con duplice funzionamento, rispettivamente raffrescamento in estate e riscaldamento in inverno, basato sul trasferimento di calore da zone a temperatura inferiore verso zone a temperatura superiore attraverso lavoro fornito da un serbatoio di energia meccanica.
Ciò infatti non sarebbe possibile spontaneamente in quanto si oppone al II principio della termodinamica secondo il quale il calore fluisce spontaneamente da zone a temperature superiore verso zone a temperatura inferiore.
Macchina Frigorifera
Il ciclo frigorifero è un ciclo termodinamico usato per trasferire calore da una zona a temperatura più bassa ad una zona a temperatura più alta. Il ciclo frigorifero serve a creare un ambiente più fresco all'interno di un sistema chiuso o di uno spazio confinato, rimuovendo il calore da esso e rilasciandolo all'esterno.
Un ciclo frigorifero è comunemente utilizzato nei frigoriferi, nei condizionatori d'aria e nei freezer per mantenere l'ambiente interno fresco. Si consideri un edificio in regime estivo, la temperatura esterna è maggiore di quella interna. Nell’esempio, il condizionatore autonomo è una macchina frigorifera che sottrae calore al locale in cui è posizionato (SETB) per raffrescarlo e mantenerlo ad una temperatura tale da garantire il comfort termico degli utenti (circa 26°C), smaltendo infine l’energia termica assorbita all’aria esterna (SETA).
Essendo la temperatura del locale (TB) inferiore rispetto a quella dell’aria esterna (TA), affinché il sistema funzioni correttamente ed il passaggio di calore avvenga dall’interno verso l’esterno, c’è bisogno di lavoro (L) fornito da un serbatoio di energia meccanica (SEM). Il locale e l’aria esterna possono essere considerati serbatoi di energia termica (SET).
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Componenti Principali
- Compressore: il refrigerante, ora in stato gassoso, viene compresso e riscaldato da un compressore azionato elettricamente.
- Condensatore: il fluido refrigerante, ora in stato gassoso e riscaldato, viene sottoposto a condensazione e torna allo stato liquido. In questo processo, il calore viene estratto dal gas caldo attraverso un altro scambiatore di calore.
- Evaporatore: l'energia termica dell'ambiente viene trasferita al fluido refrigerante per mezzo di uno scambiatore di calore. Questo provoca l'evaporazione completa del refrigerante che ha una temperatura inferiore dell'ambiente esterno.
- Espansore: il fluido refrigerante passa attraverso la valvola e così si raffredda, tornando nuovamente a pressione e temperatura originali.
Pompa di Calore
La pompa di calore fornisce tutto l'anno energia termica per il riscaldamento e l'acqua calda sanitaria. La pompa di calore utilizza infatti l'energia dell'aria, del suolo o dell'acqua di falda e la converte in energia termica. Nessuna stregoneria, ma un semplice principio fisico.
Si consideri un edificio in regime invernale, la temperatura interna è maggiore di quella esterna. Per il II principio della termodinamica ci sarà del calore che dall’interno si disperderà verso l’esterno. Al fine di mantenere all’interno del locale una temperatura costante ed idonea a garantire il benessere termico degli occupanti (circa 20°C), è necessario compensare la quantità di calore dispersa all’esterno. La pompa di calore dunque sottrae calore all’aria esterna e lo riversa all’interno dell’edificio.
Principio di Funzionamento
Il principio di funzionamento di una pompa di calore è simile a quello di un elettrodomestico che utilizziamo ogni giorno: il frigorifero. L'unica differenza è che mentre il frigorifero estrae il calore dal suo interno per mantenerlo fresco e lo rilascia nell'ambiente, la pompa di calore estrae il calore dall'ambiente per riscaldare l'interno di una casa.
La pompa di calore sfrutta un processo termodinamico basato sul passaggio di fase del refrigerante e in particolare sulla stretta correlazione tra pressione e temperatura: il compressore aumenta la pressione del vapore del refrigerante e allo stesso tempo ne aumenta anche la temperatura. In questo modo il refrigerante, condensando, riesce a scaldare l’acqua dell'impianto portandola ad un livello termico soddisfacente per contribuire al riscaldamento dell'ambiente domestico e alla fornitura di acqua calda.
Tipologie di Pompe di Calore
- Pompa di calore aria/acqua: un ventilatore assicura un apporto costante di calore ambientale alla pompa di calore.
- Pompa di calore acqua glicolica/acqua o acqua/acqua: un circuito trasporta il calore ambientale dal terreno o dalle acque di falda alla pompa di calore.
Pompa di Calore Monoblocco e Split
Per le pompe di calore aria/acqua si sono affermati due sistemi fondamentalmente diversi tra loro: il sistema pompa di calore monoblocco e il sistema pompa di calore split. La differenza più grande tra queste due soluzioni è che in un'unità monoblocco tutti i componenti tecnici importanti per il processo di recupero del calore sono raccolti in un'unica unità, mentre con un sistema split sono distribuiti su due unità.
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Vantaggi e Svantaggi
- Pompa di calore monoblocco: più semplice, ideale per chi non dispone di molto spazio all'interno dell'abitazione. Uno svantaggio invece è il potenziale congelamento dell’acqua di impianto in caso di climi molto rigidi.
- Pompa di calore split: massima flessibilità. I componenti possono essere posizionati in modo estremamente flessibile e non si presenta il rischio di congelamento dell'acqua dell'impianto. Uno svantaggio è rappresentato invece dal fatto che le tubazioni del fluido refrigerante devono essere installate da uno specialista dedicato e sono richiesti controlli regolari.
Differenze Fondamentali
Il principio di funzionamento della macchina frigorifera e della pompa di calore è lo stesso, cambia la finalità: la macchina frigorifera ha lo scopo di raffrescare, ossia sottrarre calore alla zona a temperatura inferiore smaltendolo poi in quella avente temperatura superiore; la pompa di calore deve invece riscaldare, fornire calore alla zona a temperatura superiore sottraendolo a quella a temperatura inferiore.
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.
I fornitori di pompe di calore documentano il valore COP (Coefficient of Performance, coefficiente di prestazione) e/o un valore SCOP (Seasonal Coefficient of Performance, coefficiente di prestazione stagionale) per i loro sistemi. Come anticipato, questi valori mettono in rapporto la produzione di calore e l'energia elettrica da utilizzare per la produzione di calore. COP e SCOP sono valori determinati in condizioni di prova specifiche in laboratorio.
Tabella Comparativa dei Coefficienti di Prestazione
| Parametro | Descrizione | Unità di Misura |
|---|---|---|
| EER (Energy Efficiency Ratio) | Rapporto tra energia termica sottratta e energia meccanica spesa (macchina frigorifera) | Adimensionale |
| COP (Coefficient of Performance) | Rapporto tra energia termica fornita e energia meccanica spesa (pompa di calore) | Adimensionale |
| SCOP (Seasonal Coefficient of Performance) | Coefficiente di prestazione stagionale (pompa di calore) | Adimensionale |
Tipi di Macchine Frigorifere/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).
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