Pompa di calore

4.4.1 Descrizione generale della tecnologia

In molti casi si ha la necessità di realizzare dei flussi di energia termica nel verso crescente della temperatura, in contraddizione con quanto affermato dal secondo principio della Termodinamica, secondo il quale un corpo caldo cede calore ad uno più freddo in maniera irreversibile. Questo accade quando si vuole condizionare un ambiente raffreddandolo al di sotto della temperatura esterna, in estate, e riscaldandolo al di sopra in inverno (Dentice et al., 1999). La macchina che realizza queste operazioni è definita pompa di calore reversibile o

bivalente (PDC), cioè in grado di svolgere sia la funzione di un frigorifero, sottraendo il

calore all’ambiente da raffreddare, sia quella di una comune pompa di calore, in grado di riscaldare gli ambienti. Ovviamente il passaggio di calore da un ambiente freddo ad uno più caldo non può avvenire spontaneamente, perciò si dovrà compiere un lavoro per garantirne la movimentazione, quindi spendere energia che può essere fornita per via meccanica o per via termica. Le pompe di calore bivalenti stanno prendendo sempre più piede tanto nella realtà industriale, ad esempio negli uffici, quanto a livello residenziale. Molti cittadini si stanno rivolgendo a questa forma alternativa di riscaldare gli ambienti abitativi, che, se gestita correttamente, permette loro di avere un risparmio sulla bolletta, oltre alla possibilità di regolare la temperatura, con più efficienza di altri metodi, grazie all’installazione di termostati.

4.4.2 Principio di funzionamento ed efficienza

Le pompe di calore vengono definite macchine a compressione di vapore, poiché sfruttano il lavoro fornito al compressore per favorire il passaggio di energia termica da una zona a temperatura inferiore, TL, ad una zona a temperatura maggiore,TH. Nelle pompe di calore elettriche (EHP) questo apporto di energia viene fornito da un motore elettrico che aziona un compressore, fornendogli la potenza meccanica di compressione, CP. Di seguito vengono rappresentati i componenti principali che costituiscono una macchina inversa operante come frigorifero o pompa di calore e l’andamento del ciclo termodinamico di Rankine inverso, in un diagramma pressione vs entalpia, per capirne meglio le singole fasi.

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Figura 27 Schema di funzionamento di una pompa di calore bivalente [25]

Il fluido termovettore, comunemente si impiega un gas freon come R22, R124, R407 C, R134 A, viene aspirato in condizioni di vapore saturo secco, 1, viene portato ad una pressione superiore mediante l’utilizzo di un Compressore (trasformata 1-2). In queste condizioni, 2, il fluido è alla temperatura massima, perciò viene desurriscaldato facendolo passare all’interno di un Condensatore (trasformata 2-3 a pressione costante). Con la fase di condensazione la macchina cede all’ambiente ad elevata temperatura,SET TH, la potenza di riscaldamento H. Successivamente si dovrà ridurre la pressione del liquido refrigerante; ciò avviene in una

Valvola di laminazione (trasformata isoentalpica 3-4) all’uscita della quale il fluido è un

vapore saturo. A questo punto nell’Evaporatore avviene l’ultima fase, dove grazie alla sottrazione di potenza termica L dall’ambiente a più bassa temperatura, SET TL, avviene la fase di evaporazione (trasformata 4-1 a pressione costante) ottenendo nuovamente un vapore saturo secco (Dentice et al., 1999).

L’efficienza massima raggiunta dalla macchina viene definita teoricamente dal “ciclo di Carnot” come esclusivamente dipendente dalla differenza in temperatura, poiché ad essa è relazionata la potenza richiesta in input al compressore. Pertanto, per individuare le prestazioni di tali apparecchiature reversibili viene introdotto un coefficiente di performance (COP), che può essere visto come il rapporto tra l’effetto utile e la spesa energetica in input al compressore. Siccome si presume che la macchina abbia funzionamento bivalente, invernale ed estivo, si individuano due coefficienti, rispettivamente riferiti alle due stagioni di utilizzo.

57 Il valore di efficienza supera sempre l’unità e nelle pompe di calore più moderne si riesce addirittura a raggiungere un COP pari a 4-5, il che si traduce in una produzione di 4- 5kWhTERMICI ogni kWhelettrico in input (Acerbi, 2009).

Gli step che caratterizzano il processo sono: estrazione di energia a bassa temperatura da un’altra fonte poi trasformata dal compressore in energia a più alta temperatura (la potenza utile per effettuare la compressione dipende dalla differenza in temperatura che desideriamo). Uno schema di funzionamento è riportato in Figura 28.

Figura 28 Principio di funzionamento pompa di calore elettrica [25]

Solitamente queste macchine sono costituite da due unità (Acerbi, 2009; Dentice et al., 1999):  una esterna o motocondensatore, costituita da motore, compressore e scambiatore di

calore esterno (che ha funzione di evaporatore in inverno e condensatore in estate);  una interna o sezione evaporante, posizionata nell’ambiente da condizionare e separata

dalla prima (monosplit o multisplit), comprende uno scambiatore di calore interno, con le stesse funzioni di quello esterno, uno o più ventilatori centrifughi e dei filtri per l’aria.

58 In generale la classificazione delle pompe di calore va fatta in base alla natura della sorgente fredda e di quella calda, che possono essere aria ed acqua. Di seguito vengono elencate le varie tipologie più comuni:

 acqua-acqua, verrà scaldata acqua trasferendo calore da altra acqua;  acqua-aria, verrà scaldata acqua trasferendo calore da aria;

 aria-aria, verrà scaldata aria trasferendo calore da altra aria;  aria-acqua, verrà scaldata aria trasferendo calore da acqua;

Come è facile intuire in questa classificazione, che è la più comune, il primo termine indica la sorgente fredda, mentre il secondo quella calda. Inoltre le varie tecnologie si differenziano in base alla fonte di energia sfruttata per promuovere il lavoro di compressione:

 Pompa di calore ad azionamento meccanico o EHP, il vettore energetico è l’energia elettrica, derivante dalla centrale che rifornisce l’appartamento.

 Pompa di calore ad azionamento termico o GHP, sfrutta l’energia chimica liberata dalla combustione di un combustibili fossile (solitamente gas naturale, gasolio o G.P.L.).

 Pompa di calore ad assorbimento o AHP, coppie di fluidi, refrigerante-assorbente, evolvono sfruttando la capacità di assorbimento di un opportuno solvente, assorbente, sul soluto, refrigerante.

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