La pompa di calore è una macchina in grado di trasferire calore da un corpo
a
temperatura più bassa ad un corpo a temperatura più alta,
utilizzando
energia elettrica.
Funzionamento:
Principio di funzionamento di una pompa di calore:
condensatore, valvola di espansione, evaporatore, compressore.
Le pompe
di calore funzionano grazie a diversi principi fisici, ma sono
classificate in base alla loro applicazione ( trasmissione di
calore, fonte di calore,
dispersione di calore o macchina refrigerante). si immaginano 100
unità di energia
termica
all' interno di un pallone da calcio; quest' ultimo è poi
conpreso fino alle
dimensioni di una pallina da ping pong: a questo punto esso
contiene le stesse
100
unità, ma l' energia termica media per unità di volume
è molto maggiore.
In altre
parole la temperatura dell' aria all' interno della palla è
aumentata.
le pareti
della pallina si riscaldano e quindi il calore inizia a trasferirsi
all' esterno
più velocemente. Per portare questo calore in un altro
luogo, si può immagginare
di
muovere la pallina in una zona fredda, dove essa gradualmente
aggiusterà la
sua
temperatura fino a uguagliare la temperatura dell' ambiente: in questo
processo
si
ipotizza che essa trasferisca 50 unità di energia termica.
Dopo che
la pallina si è reffreddata, la si può riportare nella
zona iniziale e lasciarla
espendere. Dato che ha perso parecchio calore, nel momento in cui
ritorna alle
dimensioni di un pallone da calcio, la sua temperatura risulta
troppo bassa e
quindi
inizia ad assorbire energia termica e a raffreddare l' aria circostante.
Il
compressore di una pompa di calore crea proprio la differenza di
pressione che
permette
al ciclo di ripetersi ( simile alla palla che si espande e si contrae):
esso
pompa il
fluido refrigerante attraverso l' evaporatore, dove appunto evapora a
bassa
pressione assorbendo calore, in seguito lo comprime e lo spinge all'
interno
del
condensatire, dove condensa ad alta pressione rilasciando il calore
precedentemente assorbito.
Il fluido
refrigerante cambia di stato all' interno dei due radiatori:
nell'
evaporatore passa da liquido a gassoso, nel condensatore passa da
gassoso a liquido.
Efficienza:
Quando si confrontano le prestazioni di una pompa di calore, è meglio evitare il
termine
"efficienza", in quanto esso ha differenti significati. La resa di una
ponpa
di calore
è misurata dal coefficiente di prestazione, COP, dato dal
rapporto tra
energia
resa ( alla sorgente di interesse ) ed energia cosumata ( di solito
elettrica
), usualmente indicato in fisica tecnica come coefficiente di effetto
utile.
La pompa
di calore è solitamente più efficiente nel riscaldamento
che nel
raffreddamento, dato che la macchina spreca sempre una perte di
energia in
calore e
questa può essere recuperata come calore di riscaldamento.
Questo
è il motivo per cui lasciare aperta la porta del frigorifero in
una calda
giornata
estiva porta a scaldere la cucina e non a raffreddarla: infatti il
calore
assorbito
dalloscomparto freddo è riversato nel condensatore posto
posteriormente ed aumentando della quota di energia elettrica
sprecata in calore.
Un
frigorifero aperto è essenzialmente un riscaldatore elettrico
molto complicato.
Per
questa ragione si usa una formula diversa per il calcolo del COP in
riscaldamento o in raffreddamento. In quest' ultimo non
interressa quanto calore
è
disperso dal condensatore, ma solo quanto calore è estratto
dalla zona fredda.
Le pompe di calore ad aria possono essere:
proggettate per lavorare in unione con una fonte supplementare di
rioscaldamento,
come una
caldaia elettrica, a gas, a gasolio già dotate di resistenza
elettrica in
funzione
di riscaldatore supplementare; bivalenti, se sono dotate di un
riscaldatore
a propono
per innalzare la temperatura dell' aria in ingresso dall' esterno.
La fase di riscaldamento
Il calore
è prelevato dall' aria esterna e portato all' interno dell'
edificio. Il fluido
refrigerante attraversa la valvola di laminazione e diventa una
miscela
liquido-vapore a bassa pressione. Quindi entra nell' evaporatore,
posto all' esterno,
dove
assorbe calorefino a diventare vapore a bassa temperatura. Il vapore
attraversa l' accumulatore, dove è raccolto anche ogni
rimanente liquido. Quindi
viene
compresso, con conseguente innalzamento della temperatura. Il vapore
caldo
giunge nel condensatore, che è il radiatore posto all' interno
dell' edificio
( vicino
alla caldaia ), e cambia di fase rilasciando il calore di liquefazione.
Il
liquido
ottenuto ritorna alla valvola di laminazione e il ciclo si ripete. Alla
temperatura esterna di equilibro la capacità di
riscaldamento della pompa
pareggia
le dispersioni termiche dell' edificio, mentre sotto ad essa è
necessario
l'
apporto di una caldaia tradizionale. Si sottolinea che la pompa di
calore produce
aria in
grandi quantità ( 50-60 l/s per kW ) a temperatura tra i 25
°C e i 45 °C,
tendendo
a operare per periodi più lunghi rispetto a una normale caldaia,
che
rilascia aria tra i 55 °C ei 60 °C.
La fase di raffreddamento
D' estate si inverte il ciclo appena descritto in modo da cambiare direzione al
flusso di
calore: il liquido refrigerante evapora nel radiatore interno e
condensa
nel
radiatore esterno. L' aria interna viene inolter deumidificata.
La fase di sbrinamento
Quando il radiatore esterno opera come evaporatore, la sua superfice risulta a
bassa
temperatura quando anche l' aria esterna è fredda ( fase di
riscaldamento
nella
stagione invernale ). Questo comporta la formazione di giaccio su di
esso,
dovuta
aal presenza di umidità nell' aria esterna, e di conseguenza una
riduzione
dell'
efficienza dello scambio termico ( il giaccio è isolante ). Per
disciogliere lo
strato di
giaccio la valvola reversibile inverye il ciclo e la ventola dell'
evaporatore
esterno
si ferma, in modo da ridurre l' energia termica necessaria per lo
sbrinamento. Ovviamente, mentre la macchina è in questa
fase, il radiatore interno
raffredda
l' aria dell' edificio e quindi vi è la necessità di
riscaldarla prima di
immetterla in circolo.
Vi sono
due metodi per stabilire quando effetuare lo sbrinamento: con un
sensore
di
temperatura esterno e un timer che inverte il ciclo ogni tot minuti;
con un sistema
di
controllo più raffinato, che monitora il flusso d' aria, la
pressione del refrigerante,
la
temperatura dell' aria. Il secondo metodo, seppur più caro,
è preferibile in
quanto
evita sbrinamenti non necessari e quindi migliora l' efficienza della
macchina.
Sistama a circuito chiuso
Quando gli spazi sono ristretti, la tubazione è posta verticalmente, in fori di
150 mm (
più stretti invece per il sistema a espansione diretta ), a una
profondità
tra i 18
e i 60 m. Di solito sono necessari tra gli 80 e i 110 m di tubazione
ogni
3,5 kW di
capacità della pompa. Quando gli spazi sono maggiori, la
tubazione
è
posta orizontalmente a una profondità compresa tra i 1 e i 1,8
m. Di solito
sono
necesari tra i 120 e i 180 m di tubazione ogni 3,5 kW di
capacità della
pompa.
La
tubazione, a parte nel caso dell' espansione diretta in cui è di
rame, conviene
sia di
polietilene o polibutilene serie 100, con i giunti saldati
termicamente, così
che la
durata possa essere tra i 25 e i 75 anni; sempre che il contatto col
terreno
sia accurato, questi materiali assicurano una buona conduzione termica.