Il funzionamento delle pompe di calore

La necessità di questo approfondimento è nata dalla scelta fatta in fase di progettazione dell’utilizzo di un impianto a pompa di calore per i servizi di riscaldamento, raffrescamento e produzione di acqua calda sanitaria.

4.2.3.1 Generalità e ciclo termodinamico

La pompa di calore è un dispositivo che consente di trasferire calore da un sistema ad una certa temperatura ad un sistema a temperatura superiore come rappresentato nella figura accanto. In questo modo si rende utile per il riscaldamento l’energia derivante dal raffreddamento di qualsiasi sistema più freddo di quello da riscaldare.

Figura 4 - Rappresentazione a blocchi della funzione svolta dalla pompa di calore.

53 Ciò non contrasta con il primo principio della termodinamica51, dal momento che la quantità di calore che arriva al sistema a più alta temperatura è fornita a spese del sistema a più bassa temperatura. Non contrasta neppure con il secondo principio52. È vero che il calore tende a trasferirsi spontaneamente da un corpo più caldo ad uno più freddo, è però possibile, fornendo lavoro, invertire il senso del trasferimento del calore, dal più freddo verso il più caldo.

La pompa di calore è comunemente utilizzata per il riscaldamento e il raffrescamento degli ambienti. In modalità riscaldamento, una pompa di calore cattura il calore all’esterno (dall’aria, dalle acque superficiali o di falda, o dal terreno) e lo scarica all’interno dell’edificio. Le macchine reversibili, grazie alla possibilità di inversione del ciclo, possono funzionare anche in raffrescamento e in questo caso il calore viene prelevato dall’interno dell’edificio e trasferito all’aria esterna, all’acqua o al terreno. I possibili sistemi a bassa temperatura, da cui si può estrarre calore sono l’aria esterna, il terreno, l’acqua di pozzo, di mare, di lago.

Tale calore non è spontaneamente né direttamente trasferibile ad un edificio con scopo di riscaldamento, poiché quest’ultimo si trova presumibilmente a temperatura superiore rispetto ai sistemi sopracitati. È necessario tuttavia considerare che il trasferimento di calore dal sistema più freddo a quello più caldo è attuabile a fronte dello sfruttamento di un lavoro meccanico, come detto precedentemente riguardo al rispetto del secondo principio della termodinamica.

Una prima possibilità di classificazione delle pompe di calore sta nel principio alla base del loro funzionamento, per cui si parla di pompe di calore a compressione di vapore di un fluido frigorifero opportuno e di pompe di calore ad assorbimento. Le prime seguono un ciclo frigorifero usuale ed, a sua volta, il compressore può essere mosso da un motore elettrico o da un motore endotermico, generalmente alimentato a gas naturale o GPL. Le macchine ad assorbimento, invece, si basano sull’uso di una miscela di due fluidi con diversa tensione di vapore e la fase di compressione meccanica è sostituita da una serie di trasformazioni in cui viene utilizzato il fluido più volatile per poi ricombinarsi con quello meno volatile.

51 _{Primo principio della termodinamica: “La variazione di energia interna di un sistema è uguale alla somma}

algebrica delle energie che esso scambia con l’ambiente esterno, sia sotto forma di lavoro, sia sotto forma di calore.”

52 _{Secondo principio della termodinamica: “Non è possibile realizzare una trasformazione il cui unico risultato sia}

54

La pompa di calore più diffusa è quella cosiddetta a compressione di vapore. Il circuito elementare di una pompa di calore a compressione di vapore, rappresentato nella figura sottostante, è costituito da un evaporatore, dove un fluido frigorifero idoneo evapora alla temperatura della sorgente fredda, assorbendo calore dall’esterno, da un compressore che porta il vapore di questo fluido ad una pressione e temperatura più alte e da un condensatore dove il vapore condensa cedendo calore ad una temperatura più alta. Il condensato ritorna all’evaporatore attraverso una strozzatura (valvola di laminazione) che consente il passaggio di fluido nella misura consentita dal compressore comportando una riduzione di pressione e di temperatura.

Un ulteriore elemento distintivo sta nel tipo di sorgenti con cui gli scambiatori della pompa di calore interagiscono. Il fluido destinatario finale dell’azione di climatizzazione è l’aria degli ambienti da climatizzare. Per cui è questa la sorgente ultima con cui si interagisce e si considera ad una temperatura di set-point fissata, sia in riscaldamento che in raffrescamento. I terminali d’impianto destinati allo scopo possono essere percorsi dallo stesso fluido frigorifero e si parla di espansione diretta, oppure possono essere alimentati con acqua che scambia con il refrigerante nello scambiatore della pompa di calore, cioè il condensatore in riscaldamento e l’evaporatore in raffrescamento.

Infine la pompa di calore può essere destinata, da sola, ad un uso specifico come la climatizzazione ambientale o la produzione di ACS, ad un uso misto, climatizzazione

55 ed ACS oppure può essere affiancata da un sistema integrativo per la produzione di energia, come una caldaia per il riscaldamento invernale.

Dallo schema a cui ci siamo riferiti (Figura 4), si evince immediatamente che i componenti fondamentali di una pompa di calore a compressione sono:

 il compressore, che ha il compito di mantenere il salto di pressione fra l’evaporatore ed il condensatore in modo da ottenere i corretti valori delle temperature dei cambiamenti di stato nei suddetti scambiatori;

 la valvola di laminazione, che consente di tornare, attraverso una trasformazione assolutamente irreversibile, dalla pressione di condensazione a quella di evaporazione;

 il condensatore, in cui il fluido in uscita dal compressore (vapore surriscaldato) subisce prima un de-surriscaldamento e, successivamente il passaggio di stato da vapore saturo secco a liquido;

 l’evaporatore in cui avviene la completa evaporazione della miscela proveniente dalla laminazione fino all’aspirazione del compressore.

Nel corso dello studio faremo riferimento a pompe di calore aria-acqua a compressione di vapore destinate alla climatizzazione invernale ed estiva e alla produzione di acqua calda sanitaria, il cui schema semplificato di funzionamento è riportato nella figura a pagina seguente, e può essere sintetizzato nelle seguenti quattro fasi:

1. L'aria esterna entra nel circuito frigorifero e passa attraverso l'evaporatore della pompa di calore dove un refrigerante assorbe il calore dell'aria.

2. Un compressore aumenta la pressione del gas, aumentandone la temperatura. Il gas ad alta pressione e temperatura trasmette il calore al circuito dell'acqua calda e condensa: passaggio da gas a liquido.

3. Il gas refrigerante ora in forma liquida passa attraverso la valvola di espansione riducendo la sua pressione e raffreddandosi.

56

4. L' energia termica contenuta nel gas refrigerante viene trasferita all'acqua dal condensatore. L'acqua circola attraverso un sistema chiuso e trasferisce il suo calore ad un serbatoio di ACS e alle unità terminali dell’impianto.

4.2.3.2 Indici di prestazione

L’efficienza di una pompa di calore è definita dal rapporto tra l’effetto utile e l’energia spesa per ottenere tale effetto. Poiché in modalità riscaldamento l’effetto utile è rappresentato dall’energia termica fornita, mentre in raffrescamento è l’energia termica sottratta all’ambiente climatizzato, si utilizzano due indicatori differenti: rispettivamente il COP (Coefficient Of Performance) e l’EER (Efficiency Energy Ratio). Il valore assunto da questi indicatori è fortemente influenzato dalle condizioni in cui opera la macchina, in particolare dalle due temperature, di evaporazione e di condensazione, e dal fattore di carico.

Più precisamente COP ed EER aumentano al diminuire del ΔT tra condensatore ed evaporatore e risultano maggiori nel caso di temperature di evaporazione elevate e temperature di condensazione ridotte. Da tale considerazione si comprende quindi l’importanza della scelta della sorgente termica. Infatti, in modalità riscaldamento, specialmente nei climi freddi, può risultare conveniente ricorrere a sorgenti alternative all’aria esterna quali, ad esempio, il terreno o l’acqua di mare o di lago, che consentono di avere una temperatura di evaporazione più elevata. Inoltre, si

Figura 6 - Schema di funzionamento di una pompa di calore aria - acqua.

57 intuisce il vantaggio del collegamento con sistemi di emissione a bassa temperatura, che permettono di ridurre la temperatura di condensazione, come i pannelli radianti e i ventilconvettori. Per quanto riguarda la modalità raffrescamento, si possono fare commenti analoghi, ribaltando però il punto di vista: l’efficienza aumenta incrementando la temperatura di evaporazione e al diminuire della temperatura della sorgente esterna (condensazione).

Le prestazioni delle pompe di calore anche dal fattore di carico, in particolare è lecito attendersi una diminuzione delle prestazioni qualora la potenza termica richiesta dall’edificio risulti inferiore alla potenza minima che la macchina può erogare in continuo. In queste condizioni la macchina è costretta a ricorrere a cicli di accensione e spegnimento che ne riducono l’efficienza.

La reversibilità, ossia la capacità di un apparecchio di soddisfare sia il servizio di riscaldamento sia quello di raffrescamento, è un vantaggio che può aiutare a ridurre i costi di investimento degli impianti. Tuttavia, è opportuno sottolineare che le macchine progettate per funzionare su una singola stagione possono raggiungere prestazioni più elevate, in modalità riscaldamento, infatti, la macchina lavora con un rapporto di compressione maggiore rispetto a quanto avviene in modalità raffrescamento, pertanto, nelle unità reversibili, la scelta del compressore è frutto di un compromesso tra quella che sarebbe stata la soluzione ideale nel caso di funzionamento solo estivo o solo invernale. Inoltre, è probabile che in una delle due stagioni la macchina risulti sovradimensionata a scapito dell’efficienza.

Come visto, quindi, le prestazioni di una pompa di calore variano fortemente in funzione delle condizioni di lavoro. Per questo vengono valutati indici stagionali, che considerano sia la temperatura della sorgente termica, sia il fattore di carico della macchina.

58