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2 Maggio 2009
Come funzionano le pompe di calore
(Redazione Nextville)

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.  
 
Il corpo da cui la pompa estrae il calore si definisce sorgente fredda, mentre il corpo a cui si cede calore si definisce pozzo caldo. In fase di riscaldamento, la sorgente fredda è costituita dall'ambiente esterno (aria, acqua o terreno) e il pozzo caldo dal fluido vettore (aria, acqua) a cui viene ceduto il calore prodotto.
 
La pompa di calore svolge un lavoro che è (apparentemente) l’inverso di quanto avviene in natura, dove il calore si trasmette dai corpi più caldi a quelli più freddi. In realtà, il processo che interviene è sempre una cessione di calore dal corpo più caldo a quello più freddo: l’idea geniale è però quella di utilizzare le diverse temperature di due corpi separati in modo da sfruttare “la parte calda” del corpo più freddo, concentrarla e portarla a scaldare ulteriormente il corpo più caldo.
 
Il principio di funzionamento

A prima vista appare sorprendente che si possa estrarre calore da un corpo freddo, per poi trasferirlo all’interno di un edificio. Ma considerando la cosa da un altro punto di vista, mediante un esempio concreto, il meccanismo di funzionamento appare più comprensibile.

“Si immaginino 100 unità di energia termica all'interno di un pallone da calcio; quest'ultimo è poi compresso 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 immaginare di muovere la pallina in una zona con temperatura inferiore, 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 raffreddata, la si può riportare nella zona iniziale e lasciarla espandere [...].
Il compressore di una pompa di calore crea proprio la differenza di pressione che permette al ciclo di ripetersi (similmente 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 condensatore, 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.” (fonte: Wikipedia, Pompa di calore)

Riscaldare e raffrescare

Come indica il nome stesso, le pompe "di calore" hanno propriamente la funzione di produrre calore, per il riscaldamento degli ambienti e/o dell'acqua sanitaria. Però la maggior parte delle pompe di calore presenti sul mercato è di tipo reversibile: possono sia riscaldare durante l'inverno che raffrescare in estate.

In pratica, le pompe di calore reversibili lavorano con lo stesso processo termodinamico, ma utilizzato al contrario, fornendo così aria/acqua fredda anzichè aria/acqua calda. Semplicemente invertendo il ciclo attraverso una valvola, la pompa di calore reversibile può svolgere le funzioni di un impianto termico o di un condizionatore.

Come si può vedere nell’immagine sottostante, in regime di raffrescamento la sorgente fredda (freccia blu) e il pozzo caldo (freccia rossa) semplicemente si invertono.

Il fatto che un’unica macchina, in grado sia di riscaldare che di raffrescare, possa svolgere le funzioni tradizionalmente affidate a due sistemi separati, ne accresce la convenienza economica.
 
Anche se le pompe reversibili riscaldamento/raffrescamento sono le più indicate per applicazioni residenziali, esistono comunque sul mercato pompe di calore per il solo riscaldamento e anche macchine frigorifere per la produzione di sola aria/acqua fredda.

Tipologie di pompe di calore

Vediamo ora di capire meglio quali sono le diverse tipologie di pompe di calore. Esistono più criteri in base ai quali poter fare una classificazione delle pompe di calore.

Una prima distinzione può essere fatta in base alle sorgenti fredde e ai pozzi caldi utilizzati.

Per quanto riguarda le pompe di calore ad aria, si avranno le due tipologie:

 
Aria/aria

 
Aria/acqua
 
Le pompe di calore geotermiche, che come sorgente fredda utilizzano il terreno oppure l’acqua di falda, di fiume o di lago, possono essere:
 
Salamoia (terreno)/aria

 
• Salamoia (terreno)/acqua

 
• Acqua/aria

 
• Acqua/acqua

Il primo dei due termini identifica la sorgente fredda, mentre il secondo identifica il pozzo caldo, inteso in questo caso come il tipo di fluido (aria o acqua) utilizzato per distribuire calore negli ambienti interni.
 
Nota bene. La salamoia è una soluzione di acqua e antigelo utilizzata come fluido termovettore nelle pompe geotermiche che sfruttano il calore del terreno.
 
Una seconda classificazione delle pompe di calore può essere fatta in base alla fonte energetica che alimenta il ciclo frigorifero: fino a poco tempo fa tutte le pompe di calore erano alimentate a elettricità, mentre oggi cominciano a diffondersi quelle alimentate a gas metano/GPL.
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