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CLIMATIZZAZIONE CON POMPA DI CALORE ELETTRICA

Principio fisico pompe di calore

Gli impianti a pompe di calore utilizzano l’energia dell’ambiente esterno. Possono sia riscaldare che raffreddare gli ambienti utilizzando come fonte energetica primaria l'energia elettrica che può essere prelevata dalla rete elettrica o prodotta direttamente tramite fonti rinnovabili (energia solare fotovoltaica o energia eolica) ottenendo in tal caso un rispargmio energetico notevole.
Le pompe di calore riescono a trasferire calore da ambienti a bassa temperatura verso ambienti ad alta temperatura. Queste macchine sono essenzialmente costituite da un circuito chiuso entro cui viene continuamente compresso e fatto espandere un apposito fluido, chiamato intermedio o frigorigeno. Ad ogni compressione ed ad ogni espansione (cioè ad ogni ciclo di lavoro) il fluido intermedio ruba un pò di calore al fluido freddo e lo cede a quello caldo.
schema pompa di caloreQuale fluido intermedio non si usa l’aria perché, pur essendo un fluido sicuro dal punto di vista ambientale e a costo nullo, comporta cicli di lavoro con resa termica molto bassa. Si usano, invece, fluidi che evaporano quando il calore viene assorbito e che condensano quando il calore viene ceduto. Tali passaggi di stato fanno infatti aumentare notevolmente la quantità di calore che ogni ciclo di lavoro è in grado di assorbire e di cedere. come già accennato in precedenza invertendo i cicli di lavoro, queste macchine, possono essere utilizzate sia per riscaldare sia per raffreddare. Nel primo caso sono chiamate pompe di calore, nel secondo macchine frigorifere. Tuttavia si tratta di una differenza solo nominale. Il disegno sotto riportato evidenzia i principali componenti di una pompa di calore, mentre nel seguito sono descritte le funzioni di questi componenti.

schema compressore pompa di caloreschema condensatore pompa di calore

schema valvola di espansione pompa di caloreschema evaporatore pompa di calore

  1. Compressore: comprime il fluido intermedio innalzandone la temperatura.
  2. Condensatore: consente al fluido intermedio (che passa da vapore a liquido) di cedere calore al fluido caldo.
  3. Valvola di espansione: fa espandere il fluido intermedio abbassandone la temperatura.
  4. Evaporatore: consente al fluido intermedio (che passa da liquido a vapore) di assorbire calore dal fluido caldo.


Prestazione delle pompe di calore e dei relativi impianti

Di seguito esamineremo le prestazioni relative al riscaldamento. Per il raffrescamento, le grandezze in gioco sono sostanzialmente simili.

  • Coefficiente ε relativo al solo compressore: è dato dal rapporto fra il calore ceduto al fluido caldo e l’energia richiesta dal compressore. In pratica, indica la potenza termica ottenibile assorbendo 1 kW di elettricità per far funzionare il compressore. Ad esempio, se ε è uguale a 4, vuol dire che da 1 kW elettrico se ne ottengono 4 di potenza termica. I valori di ε dipendono principalmente dal salto termico fra sorgente fredda e fluido caldo, più piccolo è tale salto e maggiore è il valore di ε, cioè la resa della pompa di calore. Cosa d’altra parte assai ovvia in quanto è certamente più facile trasportare calore da 10 a 30°C, piuttosto che da 10 a 50°C.
  • Coefficiente COP relativo al compressore e ai mezzi ausiliari: il suo valore (definito dalla norma EN 255) è dato dal rapporto fra calore ceduto al fluido caldo e l’energia richiesta sia dal compressore sia dai mezzi ausiliari integrati nella pompa di calore: (dispositivi antigelo, apparecchiature di regolazione e controllo, circolatori, ventilatori.)

I valori di ε e COP devono essere forniti dai produttori delle pompe di calore. Il loro valore può essere dato anche mediante le due grandezze che li determinano indirettamente, vale a dire: l’energia utile e quella richiesta. Il diagramma sottoriportato rappresenta i valori del COP relativi ad una pompa di calore acqua-acqua.


Prestazioni annuali pompa di calore


prestazioni pompa di caloreTali prestazioni sono individuate col coefficiente COPA, che significa COP annuale. Il suo valore è dato dal rapporto fra il calore ceduto al fluido caldo in un anno e l’energia totale richiesta per far funzionare l’impianto. È quindi un coefficiente che dipende non solo dalle prestazioni della pompa di calore, ma anche dalle specifiche caratteristiche dei vari sistemi di regolazione e di distribuzione dell’energia termica.Ed è questo, e solo questo, il coefficiente che va considerato nel calcolare i costi di gestione di un impianto a pompa di calore nonché i relativi tempi di ammortamento.
Non è facile comunque determinare i valori del coefficiente COPA in quanto dipendono da diverse variabili spesso assai indefinite, quali ad esempio:

- le variazioni di temperatura della sorgente fredda
- il sistema di distribuzione e i terminali utilizzati
- il tipo di regolazione che gestisce l’impianto
- il tipo di regolazione che gestisce la pompa di calore

Ha un ruolo molto importante anche il numero di attivazioni e disattivazioni del compressore. Nelle fasi di attivazione, infatti, la pompa di calore si comporta come un motore che deve scaldarsi. Pertanto, in tali fasi, i suoi COP sono assai inferiori a quelli di riferimento, ottenuti con prove di laboratorio svolte a regime e in condizione ideali.

schema impianto pompa di calore

Sorgenti di calore utilizzabili

Per alimentare il lato freddo delle pompe di calore si possono utilizzare diversi tipi di sorgente:
- le caratteristiche dell’ambiente esterno
- le possibili limitazioni d’ordine normativo
- le prestazioni richieste
- il costo dell’impianto
- i tempi di ritorno del maggior investimento

Di seguito esamineremo le sorgenti normalmente utilizzate e le loro caratteristiche principali.

  • Aria: come sorgente di calore può essere utilizzata sia l’aria esterna sia l’aria interna di ricambio. L’aria esterna è sempre disponibile, non richiede mezzi di captazione costosi e per il suo uso non servono autorizzazioni. Tuttavia con temperature al di sotto dei 5-6°C, le prestazioni delle pompe di calore si abbassano molto e può essere necessario adottare sistemi integrativi del calore. Per l’aria di ricambio (normalmente disponibile a circa 20°C) non esistono gli inconvenienti di cui sopra, è però disponibile solo in quantità limitate.
  • Acque di superficie: anche le acque del mare, dei laghi, dei corsi d’acqua e degli stagni possono essere utilizzate come sorgenti di calore. Va però considerato che, nei mesi più freddi, queste acque possono trovarsi a temperature molto basse e anche gelare. Pertanto, come nel caso dell’aria esterna, il loro uso può richiedere sistemi integrativi del calore.
  • Sottosuolo (geotermia): nel sottosuolo si trova accumulata una notevole quantità di energia, di origine soprattutto solare e geotermica. L’energia solare è accumulata a bassa profondità, mentre l’energia geotermica è prevalentemente accumulata nelle zone più profonde.
    L’energia del sottosuolo può essere utilizzata con l’aiuto dei seguenti mezzi:
    - Acqua di falda
    - Collettori orizzontali (realizzati con tubi in materiale plastico e derivano calore da bassa profondità)
    - Sonde verticali (realizzate inserendo tubi in materiale plastico in fori profondi 100-200 m)
    - Pali energetici (realizzati inserendo tubi in materiale plastico nei pali di cemento delle fondazioni)


Impianti di riscaldamento utilizzabili con pompe di calore

Abbiamo già visto che le prestazioni delle pompe di calore aumentano col diminuire della differenza di temperatura fra la sorgente fredda e il fluido caldo.

  • Impianti a pannelli radianti: sono impianti che consentono un buon utilizzo delle pompe di calore in quanto funzionano a basse temperature. È bene comunque abbassare il più possibile tali temperature. Il che si può ottenere adottando pannelli con piccoli interassi (10-15 cm).
  • Impianti a radiatori: sono impianti adottabili dove non è possibile utilizzare i pannelli. Può essere, ad esempio, il caso di ristrutturazioni o di interventi di tipo conservativo. Il principale limite degli impianti a radiatori è dovuto al fatto che per poter funzionare a basse temperature richiedono soluzioni molto ingombranti. Ad esempio, se un radiatore a 80°C (temperatura media) emette 1.000 kcal/h, a 45°C ne emette solo 320, il che porta a notevoli sovradimensionamenti. Un altro limite è dovuto all’impossibilità di raffrescare coi radiatori.
  • Impianto a ventilconvettori: questi impianti sono normalmente utilizzati per climatizzare uffici, negozi, alberghi, case di cura. I ventilconvettori usati con pompe di calore devono essere comunque in grado di poter funzionare a basse temperature (40-45°C). Inoltre, se installati in camere, vanno adottati modelli con ventilatori a bassa rumorosità.
  • Impianti ad aria: sono impianti che possono essere realizzati con pompe di calore aria-aria o aria-acqua. Nel primo caso la pompa di calore alimenta direttamente i canali di distribuzione interna dell’aria. Nel secondo caso, invece, la pompa di calore fornisce l’acqua calda che serve ad alimentare una centrale di trattamento aria.

 

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