Pompe di calore: funzionamento, applicazioni e sorgenti di calore

Pompe di calore: introduzione

La pompa di calore è una macchina a fluido frigorigeno capace di trasferire (pompare) calore sottraendolo dall'ambiente aria, terra e acqua, a temperatura più bassa (sorgente fredda), per cederlo ad un altro ambiente a temperatura più alta (pozzo caldo) La tecnologia delle pompe di calore si basa sull'utilizzo di energie rinnovabili presenti nell'ambiente, risultando così rispettosa dell'ambiente e contribuendo alla riduzione dei consumi e delle emissioni di CO2. Compressione Energia termica dell'ambiente Calore utilizzabile Espansione Evaporazione CondensazioneLe pompe di calore sono macchine che, utilizzando il lavoro meccanico e sfruttando i principi fisici dei fluidi, sono in grado di cedere o assorbire calore quando avviene la vapo-rizzazione e la condensazione.Questo principio permette di far fluire il calore in senso opposto a quello naturale.

La pompa di calore è, quindi, una macchina che produce energia termica e può essere impiegata non solo per il riscaldamento ambientale, ma anche per la produzione di acqua calda sanitaria, oppure negli essiccatoi industriali, e, in generale, in tutte le situazioni in cui si richiede calore ad una temperatura non molto elevata (30+40 ℃).

Una tipica applicazione delle pompe di calore è per alimentazione di un impianto a pavimento.Pompa di calore

Funzionamento della pompa di calore

3 5,5 bar 17 bar 0 ºC 36 °C 5 Compressore Pompa di ricircolo 2 4 35 ℃ Circuito dell'acqua glicolica 32 ℃ Circuito di riscaldamento 27 °C Evaporatore Condensatore Pompa di ricircolo 5,5 bar +4 °C 25 ℃ Valvola di espansione Sorgenti di calore Temp dell'acqua 1 吃 1 Terreno Aria 4 6 17 barLe sorgenti di calore come il terreno, l'aria e l'acqua forniscono il calore ad un circuito dove è presente dell'acqua glicolica mossa da una pompa di ricircolo (1).

Mediante un evaporatore (scambiatore di calore), il calore prelevato dall'ambiente viene trasferito ad un fluido di lavoro o liquido refrigerante esente da clorofluorocarburi (CFC) (2).

Il fluido di lavoro viene portato a una pressione più elevata mediante un compressore. Attraverso la compressione, la temperatura del liquido refrigerante aumenta (3).

In un condensatore (scambiatore di calore), il calore viene trasferito all'acqua di riscaldamento (fluido termovettore) (4).

Il fluido termovettore, mosso da una pompa di ricircolo, cede, per esempio, il calore agli elementi riscaldanti che a sua volta cederanno il calore all'ambiente. Nel caso di riscaldamento a pavimento, poiché è l'intero pavimento che funge da superficie riscaldante, questi sistemi possono funzionare con ridotte temperature dell'acqua di riscaldamento (circa 30 ℃) (5). Nella valvola di espansione il fluido di lavoro viene fatto espandere e quindi raffreddato (6)Le Pompe di calore si distinguono in base alla sorgente da cui si preleva il calore e il pozzo caldo, ovvero il fluido a cui si cede calore:

Sorgenti e pozzi caldi delle pompe di calore

Sorgente fredda e pozzo caldo

Pompe di calore ad aria

L'aria è disponibile ovunque. L'installazione della pompa di calore con sorgente fredda ad aria è relativamente semplice. La potenza resa dalla pompa di calore diminuisce in concomi- tanza con la diminuzione della temperatura dell'aria. Qualora si utilizzi aria esterna all'edificio, intorno a 0 ℃, è necessario attivare un sistema di sbrinamento che comporta un ulteriore consumo di energia. L'utilizzo di aria interna all'edificio risulta essere più vantaggioso.

L'utilizzo di aria interna all'edificio prevede che venga rinnovata regolarmente. Questa tipologia è caratterizzata da una certa rumorosità a causa dell'elevata quantità di aria da trattare e da una riduzione del rendimento sotto i 5-6 °C.Nonostante due terzi del pianeta siano coperti da acqua, essa non è sempre disponibi- le nelle immediate vicinanze di un edificio. L'installazione della pompa di calore con sor- gente fredda ad acqua è relativamente semplice. L'acqua garantisce le prestazioni della pompa di calore senza risentire delle condizioni climatiche esterne.

Pompe di calore ad acqua

L'utilizzo di acqua come sorgente fredda richiede un costo addizionale dovuto al sistema di adduzione. Questa tipologia è caratterizzata da una ridotta rumorosità, una riduzione del rendimento sotto i 5+6 ℃, da problemi di ghiacciamento dell'acqua di superficie, quan- do si utilizza acqua di falda (per il cui utilizzo sono necessari dei permessi) e da una tem- peratura della sorgente fredda costante.

Pompe di calore a terreno

Il terreno subisce minimi sbalzi di temperatura rispetto all'aria. Le tubazioni possono es- sere disposte verticalmente o orizzontalmente. Quelle orizzontali vanno interrate ad una profondità di circa 1-1,5 m per non risentire delle variazioni di temperatura dell'aria esterna e, allo stesso tempo, mantenere i benefici effetti dell'insolazione. È necessaria una estensio- ne di terreno da 2 a 3 volte superiore alla superficie dei locali da riscaldare. Questa tipologia è caratterizzata dal costo in assoluto più elevato, da una elevata complessità dell'impianto sia nel caso di tubazioni orizzontali che di sonde geotermiche (tubazioni verticali), e dalla necessità di avere a disposizione un ampio terreno per il suo funzionamento.Termosifone Termosifone Generatore Generatore Pavimento radiante Pavimento radiante Sonde interrati Sonda interrata

Il tipo aria-aria viene utilizzato in particolare per la climatizzazione di ambienti residenziali monofamiliari.

Impianti geotermici

5 Gli impianti geotermici G li impianti geotermici sono in grado di produrre acqua e aria calda per il riscaldamen- to e per uso sanitario durante l'inverno, acqua e aria refrigerata per il raffreddamento durante il periodo estivo.

È un impianto che sostituisce il generatore di calore o il gruppo di refrigerazione in un si- stema tradizionale. Un impianto che funziona ad energia geotermica solitamente è così composto:

• una o più sonde geotermiche inserite in profondità e fondamentali per lo scambio di ca- lore con il terreno;
• una pompa di calore;
• un serbatoio di accumulo (o sistema di distribuzione) per acqua calda sanitaria;
• un serbatoio per il sistema inerziale dell'impianto.

La sonda geotermica è formata da due tubazioni in polietilene per permettere la circolazione di un fluido glicolato (miscela di acqua e anticongelante non tossico) che for- mano un circuito chiuso (andata e ritorno).Riscaldamento a pavimento Sonde geotermiche Pompa di calore Serbatoio d'accumulo D (riscaldamento e raffreddamento) Impianto a energia geotermica.

Il serbatoio di accumulo ha il compito di accumulare acqua calda, che poi viene utilizza- ta con l'aiuto di uno scambiatore. Nell'impianto, la presenza del serbatoio di accumulo è fondamentale in quanto la pompa di calore produce acqua calda ad elevata temperatura e a una velocità non idonea rispetto alle esigenze di utilizzo.

Il serbatoio inerziale viene utilizzato per aumentare l'inerzia dell'impianto e ridurre il fenomeno del pendolamento della pompa.

L'acqua può fluire nell'impianto geotermico verso l'alto con l'utilizzo di una pompa idraulica.

Nel suo principio di funzionamento, la pompa di calore geotermica si basa sulla caratteri- stica che la temperatura del sottosuolo, tra i 100 e i 130 metri, si mantiene attorno ai 14 ℃, trascurando ovviamente le escursioni termiche sia giornaliere sia stagionali.

La pompa di calore assorbe calore attraverso il fluido nell'evaporatore, innalza la temperatura per mezzo del compressore e la cede all'ambiente circostante attraverso il condensatore.

Tutto questo processo avviene con consumo di energia elettrica.5.2 IL COEFFICIENTE DI PRESTAZIONE DELLA POMPA

Coefficiente di prestazione della pompa

L'efficacia e l'efficienza di una pompa di calore si esprime attraverso il coefficiente di prestazione (C.O.P.), noto anche come rapporto tra l'e- nergia prodotta e l'energia spesa o utilizzata.

Tale valore varia in funzione della tipologia di macchina e, in generale, si considera pari a 1:304. Esempio di sistema energetico con pompa di calore geotermica. POMPA DI CALORE 1 kWh di energia elettrica 3-4 kWh di calore SORGENTE di CALORE p.e. acqua o terreno 3 kWh di energia termica "gratuita"

Come si vede nello schema precedente, la pompa di calore che produce un C.O.P. pari a 3-4 kWh termici utilizza solamente 1 kWh elettrico.

Dal punto di vista energetico, l'utilizzo della pompa di calore geotermica consente di sfrut- tare molta più energia tecnica rispetto a quella elettrica che utilizza per funzionare. In questo caso, l'energia finale è 3-4 volte quella spesa ai fini del funzionamento.

Dato che il C.O.P. della pompa di calore aumenta al diminuire della differenza tra la tem- peratura di mandata all'impianto e la temperatura della sorgente fredda, è consigliabile utilizzare terminali di erogazione a bassa temperatura.5.3 LA POMPA DI CALORE E I TERMINALI SCALDANTI

Pompa di calore e terminali scaldanti

Di seguito si analizzano i principali pregi e difetti per gli impianti di riscaldamento più diffu- si, utilizzando la pompa di calore.

Impianti a pannelli radianti

Impianti a pannelli radianti a pavimento o a parete: funzionando a basse tempera- ture possono essere efficacemente impiegati con le pompe di calore; aumentando la su- perficie di scambio termico diminuendo l'interasse tra i tubi è possibile lavorare a tempe- rature di mandate minori con ulteriore incremento del C.O.P.

Impianti a radiatori

Impianti a radiatori: la temperatura di mandata è elevata, per riuscire a mantenere la stessa potenza termica emessa diminuendo la temperatura occorre aumentare la superfi- cie di scambio incrementando il numero di elementi del calorifero, anche se si aumenta l'ingombro del radiatore. Sono quindi indicati nel caso di ristrutturazione (si evita lo sman- tellamento dei pavimenti) ma è necessario ricalcolare il numero di elementi, altrimenti il C.O.P. risulta troppo basso con conseguente aumento dei consumi di energia elettrica della pompa. Non è possibile impiegare i radiatori per il raffrescamento.

Impianti a ventilconvettori

Impianti a ventilconvettori: scarsamente impiegati nelle abitazioni ma utilizzati in al- berghi, uffici, negozi, come per i radiatori occorre che possano funzionare a temperature inferiori a 40-45 ℃; occorre inoltre verificare il livello di rumorosità del ventilatore: sul mercato è attualmente possibile reperire ventilconvettori adatti anche ad uso residenziale.

Impianti ad aria

Impianti ad aria: utilizzati in campo industriale o per alberghi, la pompa di calore può essere utilizzata per riscaldare direttamente l'aria in mandata oppure per il riscaldamento di acqua che viene inviata ad una unità di trattamento aria. Questo tipo di installazione sta gradatamente trovando applicazione in edifici a basso consumo energetico nei quali è co- munque previsto un impianto di ventilazione meccanica controllata e i fabbisogni di po- tenza termica per i singoli ambienti sono limitati.