Pompe di calore

La pompa di calore è una macchina in grado di trasferire calore da un ambiente a temperatura più bassa ad un altro a temperatura più alta. Essa opera sfruttando lo stesso principio di funzionamento del frigorifero e del condizionatore; è costituita da un circuito chiuso, percorso da uno speciale fluido (frigorigeno) che, a seconda delle condizioni di temperatura e di pressione in cui si trova, assume lo stato di liquido o di vapore. Il circuito chiuso è costituito da: un compressore, un condensatore, una valvola di espansione, un evaporatore. Il condensatore e l’evaporatore sono costituiti da scambiatori di calore, cioè tubi che sono a contatto con un fluido di servizio (acqua o aria) e nei quali scorre il fluido frigorigeno. Il fluido cede calore al condensatore e lo sottrae all’evaporatore. I componenti del circuito possono essere raggruppati in un unico blocco oppure divisi in due parti (sistemi “SPLIT”) raccordate dai tubi nei quali circola il fluido frigorigeno.

Durante il funzionamento, il fluido frigorigeno subisce, all’interno del circuito, alcune trasformazioni:

Compressione: il fluido frigorigeno allo stato gassoso e a bassa pressione, proveniente dall’evaporatore, viene portato ad alta pressione. Nella compressione il fluido si riscalda, assorbendo una certa quantità di calore.

Condensazione: il fluido frigorigeno, proveniente dal compressore, passa dallo stato gassoso a quello liquido, cedendo calore all’esterno.

Espansione: passando attraverso la valvola di espansione, il fluido frigorigeno liquido si trasforma parzialmente in vapore e si raffredda.

Evaporazione: il fluido frigorigeno assorbe calore dall’esterno ed evapora completamente. L’insieme di queste trasformazioni costituisce il ciclo della pompa di calore: fornendo energia, attraverso il compressore, al fluido frigorigeno, questo, all’interno dell’evaporatore, assorbe calore dal mezzo circostante e, tramite il condensatore, lo cede al mezzo da riscaldare.
Nel corso del suo funzionamento, la pompa di calore:

  • consuma energia elettrica nel compressore; 
  • assorbe calore nell’evaporatore dal mezzo circostante (aria o acqua); 
  • cede calore al mezzo da riscaldare nel condensatore (aria o acqua).

Il vantaggio nell’uso della pompa di calore deriva dalla sua capacità di fornire più energia ambientale (65%) di quella elettrica (35%) impiegata per il suo funzionamento, in quanto estrae calore dall’ambiente esterno (aria-acqua). L’efficienza di una pompa di calore è misurata dal coefficiente di prestazione (C.O.P.) che misura il rapporto tra energia fornita (calore ceduto al mezzo da riscaldare) ed energia elettrica consumata. Il C.O.P. varia a seconda dei tipo di pompa di calore e delle condizioni di funzionamento: in genere, esprime valori prossimi ed in alcuni casi superiori a 4. Questo vuol dire che per 1 kWh di energia elettrica consumato, verranno forniti 4 kWh di calore al mezzo da riscaldare. Il C.O.P. sarà tanto maggiore quanto più bassa è la temperatura a cui il calore viene ceduto (nel condensatore) e quanto più alta è la temperatura della sorgente da cui viene assorbito (nell’evaporatore).
Il mezzo esterno da cui si estrae calore è detto “sorgente fredda”. Nella pompa di calore, il fluido frigorigeno assorbe calore dalla sorgente fredda tramite l’evaporatore. Le principali sorgenti fredde sono: l’aria esterna al locale dove è installata la pompa di calore oppure l’aria estratta dal locale stesso (pompa di calore aria acqua) ; l’acqua di falda, di fiume o di lago quando è presente in prossimità dei locali da riscaldare e comunque a ridotta profondità (pompa di calore acqua acqua) ; il terreno nel quale vengono inserite le tubazioni relative all’evaporatore (pompa di calore geotermica).
Le moderne pompe di calore aria acqua riescono a produrre acqua a 60°C con temperature esterne prossime a 20°C sotto lo zero. Sono quindi ampiamente utilizzabili con i climi presenti nel nord Italia.
I vantaggi delle pompe di calore rispetto ad altri generatori di calore sono:

  • il combustibile (l’energia elettrica) che, accoppiato all’installazione di pannelli fotovoltaici, permette di rendere l’edificio energeticamente autonomo,
  • la possibilità di produrre acqua calda in inverno ed acqua fredda in estate. Con un unico generatore si può quindi riscaldare la casa e condizionarla a seconda delle necessità.