Pompa di calore: principio di funzionamento semplice ed efficace
Quale è il principio di funzionamento?
Il funzionamento di una pompa di calore è simile a quello di un frigorifero, ma invertito. In un frigorifero, il calore viene estratto dall'interno ed espulso all'esterno.Una pompa di calore, sfruttando lo stesso principio, fa l'esatto contrario: estrae il calore da una fonte naturale (aria, acqua o terra) e lo trasporta dentro l'edificio alla temperatura idonea, in funzione del tipo di impianto di riscaldamento. Il principio di funzionamento della pompa di calore si basa sul fenomeno dell’ espansione Joule-Thomson[2] di un fluido. Questo fluido, nel caso delle pompe di calore, è un liquido refrigerante che all’inizio del processo è molto freddo e che compiendo un ciclo di compressione ed espansione, permette alla pompa di calore di trasferire il calore prodotto all’acqua di circuito.
l Ciclo della Pompa di Calore è composto da Tre Step
1.Nel primo step la pompa di calore preleva calore dall’ambiente
2.Nel secondo, incrementa la temperatura del gas tecnico
3.Nel terzo, trasferisce calore all’abitazione e, in particolare, all’acqua sanitaria o di riscaldamento
Primo step
L’aria viene convogliata in uno scambiatore attraverso il quale circola un liquido “refrigerante” resistente al gelo.
Questo liquido è sempre più freddo dell’ambiente e quindi può prelevare il calore dall’aria: è così freddo che permette di fare lavorare la pompa di calore anche a temperature ben al di sotto dello zero.
La differenza di temperatura è decisiva per il funzionamento: infatti l’aria, entrando in contatto con questo liquido molto freddo, trasferisce calore al liquido e ne innalza la sua temperatura.
Il calore prelevato dall’energia pulita dell’aria, quindi viene trasferito al secondo step.
Secondo Step
Il calore prelevato dall’aria è fondamentale perché permette di vaporizzare il liquido: questo processo di vaporizzazione può avvenire perché il liquido refrigerante vaporizza a basse temperature.
In questo modo, il refrigerante assorbe calore e arrivando al punto di ebollizione, vaporizza.
A questo punto, il compressore presente nella pompa di calore, può comprimere il vapore, e ne innalzarne la temperatura.
La temperatura del vapore, in questo momento, è molto alta: il vapore ha innalzato così tanto la sua temperatura da permettere di trasferire questo calore accumulato al circuito di riscaldamento.
(Per capire perché il vapore è diventato così caldo prova a tappare con il pollice il foro di una pompa per per bici e poi di pompare l’aria: il tuo pollice in poco tempo diventerà molto caldo a causa dell’aumento di temperatura dell’aria causato dall’aumento di pressione dovuto dalla compressione.)
Terzo Step
Il vapore molto caldo trasferisce questo calore accumulato al circuito di riscaldamento.
E’ questo il calore che permette all’acqua sanitaria di riscaldarsi e di permetterti di fare una buona doccia con l’acqua calda.
Il vapore più trasferisce il calore all’acqua, più diminuisce la sua temperatura e così passa dallo stato gassoso allo stato liquido.
Una volta trasferito tutto il calore possibile, il refrigerante, ritorna completamente allo stato liquido.
Però il liquido ora è in una condizione particolare: non può più riscaldare l’acqua sanitaria perché ha diminuito la sua temperatura ma non può nemmeno prelevare di nuovo il calore dall’aria circostante (vedi primo step) perché ha ancora una pressione elevata ed è ancora troppo caldo e quindi, per poter continuare il ciclo, deve prima raffreddarsi ulteriormente.
Il liquido, per questo motivo, viene fatto passare attraverso la valvola di espansione: in questo modo, la pressione diminuisce e conseguentemente la temperatura scende rapidamente.
(Per capire la diminuzione di temperatura causato dalla diminuzione di pressione puoi fare questo semplice esperimento: prendi una bomboletta spray, tieni premuto a lungo lo spray e sentirai la bomboletta che diventa molto fredda).
Il liquido ora è in grado di assorbire di nuovo il calore dall’aria e il ciclo può ripartire di nuovo dal primo step.
Guida alla scelta
Utilizzando l’energia gratuita, ecologica e rinnovabile di suolo, acqua e aria, le pompe di calore costituiscono la soluzione ideale per ridurre i consumi di energia e le emissioni di CO2 e, nel contempo, preservare il pianeta.
Per l’installazione di una pompa di calore è fondamentale una valutazione accurata della tua abitazione e dei suoi fabbisogni termici: il funzionamento ottimale di una pompa di calore si ha generalmente in abitazioni nuove, con impianti a pavimento o a radiatori a bassa temperatura. Nel caso di riqualificazione di un impianto tradizionale, l’isolamento termico dell’edificio dovrà essere performante per contenere le dispersioni termiche e per abbassare la temperatura di funzionamento dei radiatori esistenti.
Fonte di energia
La scelta della fonte di energia di alimentazione della propria pompa di calore dipende delle caratteristiche climatiche del luogo di installazione e dal fabbisogno termico che deve essere coperto. Le pompe di calore utilizzano varie fonti di energia:
- aria
- calore del terreno
- acqua
- recupero termico
Dimensionamento
Sulla base di un bilancio termico, si può scegliere la modalità di funzionamento di una pompa di calore: monovalente (la pompa di calore è l’unico generatore di calore) o bivalente (un generatore a supporto è presente nell’impianto).
La modalità monovalente è consigliata soprattutto in nuove costruzioni, ben isolate e in zone climatiche non particolarmente rigide. La modalità bivalente può essere utilizzata in zone climatiche molto fredde, piuttosto che in rammodernamenti dove fabbisogni energetici più elevati rendono conveniente un generatore di calore di supporto.
Calore dall'aria – disponibilità illimitata, costi di investimento contenuti
L'aria è una risorsa gratuita e disponibile illimitatamente. L'aria ambiente contiene sempre del calore, anche quando fuori fa molto freddo. La temperatura minima raggiungibile è fisicamente -273,15° C. Ciò significa che qualsiasi temperatura superiore contiene dell'energia termica, che può essere teoricamente sfruttata; in realtà, per un funzionamento efficiente di una pompa di calore, la temperatura non deve scendere sotto ca. -20° C.
La pompa di calore aria acqua può essere installata sia internamente che esternamente.
Calore dall'aria
[1] Pompa di calore aria acqua Vitocal
[2] Bollitore
[3] Serbatoio di accumulo di acqua di riscaldamento
Calore dall'aria (con unità estern
a)
[1] Pompa di calore aria acqua split Vitocal
[2] Bollitore
[3] Serbatoio di accumulo di acqua di riscaldamento
[4] Unità esterna
Calore dal terreno, tramite campi collettori o sonde geotermiche
Anche nel terreno è sempre presente calore, utilizzabile per riscaldare gli ambienti tramite una pompa di calore. La particolarità di sfruttare la geotermia sono le temperature relativamente elevate e costanti del terreno. A profondità oltre 10 metri, le temperature sono sempre elevate, anche in inverno. Man mano che aumenta la profondità aumentano anche le temperature e con esse la quantità di energia termica che può essere catturata tramite sonde geotermiche.
Per catturare il calore più prossimo alla superficie si utilizzano campi collettori.
Calore dal terreno (campo collettori)
[1] Pompa di calore geotermica Vitocal
[2] Bollitore
[3] Serbatoio di accumulo di acqua di riscaldamento
Calore dal terreno (sonde geotermiche)
[1] Pompa di calore geotermica Vitocal
[2] Bollitore
[3] Serbatoio di accumulo di acqua di riscaldamento
Calore dall'acqua – notevole efficienza, previa verifica della qualità dell'acqua
Una pompa di calore che sfrutta l'acqua di falda richiede un pozzo con un sistema di aspirazione e di deflusso dell'acqua. E' necessario verificare se le disposizioni locali in merito a protezione del territorio e delle acque consentono la realizzazione di questi pozzi.
Oltre a ciò bisogna accertarsi della composizione dell'acqua, che influisce in modo determinante sull'efficienza di funzionamento della pompa di calore. Laddove non è possibile installare una pompa di calore acqua acqua, si può generalmente optare in alternativa per una pompa di calore terra acqua.