La pompa di calore è una macchina in grado di trasferire calore da un ambiente a temperatura più bassa ad un altro a temperatura più alta, utilizzando una quantità di energia elettrica minore di quella termica erogata.
I vantaggi della pompa di calore sono:
- coefficiente di prestazione (COP) vantaggioso (consuma 1 kWh elettrico per produrre fino a 4 kWh termici);
- non è necessario disporre di un locale caldaia;
- manutenzione annuale non obbligatoria;
- il sistema è reversibile, quindi in estate può raffreddare gli ambienti.
La pompa di calore è costituita da un circuito chiuso, percorso da un refrigerante che, a seconda delle condizioni di temperatura e di pressione in cui si trova, assume lo stato di liquido o di vapore. Senza addentrarci in una descrizione del funzionamento della pompa di calore, in queste condizioni il refrigerante assorbe calore (stato gassoso) e lo cede all’esterno (stato liquido)
Durante il funzionamento della pompa di calore si hanno: un consumo di energia elettrica nel compressore, un assorbimento di calore dall’ambiente circostante nell’evaporatore ed una cessione di calore all’ambiente da riscaldare nel condensatore. Il vantaggio dell’impiego della pompa di calore sta nel fatto che tale sistema consente di fornire più energia (sotto forma di calore, forma di energia poco pregiata) di quella elettrica (forma di energia pregiata) necessaria al funzionamento.
L’ambiente da cui si estrae calore è la sorgente fredda. Le principali sorgenti fredde sono aria, acqua e terreno. Il fluido vettore da scaldare è generalmente acqua o aria. Nel condensatore il fluido refrigerante cede al fluido vettore sia il calore prelevato dalla sorgente che l’energia fornita dal compressore. Il calore può poi essere ceduto all’ambiente mediante normali radiatori. In base alla sorgente fredda e al fluido vettore utilizzato le pompe di calore possono essere:
- aria – acqua,
- terra – acqua,
- acqua – acqua,
- aria – aria,
- acqua – aria.
Le prestazioni di una pompa di calore variano sensibilmente in funzione delle temperature di sorgente fredda e del fluido vettore. In particolare, più queste temperature sono vicine migliori sono le prestazioni, sia in termini di potenza fornita che in termini di rapporto tra energia termica fornita ed energia elettrica assorbita.
Le sorgenti di energia possono essere:
Aria – Per quanto riguarda le differenti sorgenti fredde l’aria ha il vantaggio di essere disponibile ovunque e di non necessitare di autorizzazioni per il prelievo, contrariamente all’esecuzione di uno scambiatore nel terreno, di un pozzo di presa d’acqua di falda. L’aria è la sorgente ambientale più utilizzata, ma il suo svantaggio è la sua esigua capacità termica che richiede grandi quantità d’aria che devono essere fornite all’evaporatore. Per un fabbisogno di calore di 10 kW occorrono circa 4.000 m3/h. L’aria può essere quella esterna, quella del locale in cui è installata la pompa, oppure quella in uscita dal sistema di ventilazione. L’aria esterna ha però lo svantaggio di subire grandi variazioni di temperatura e spesso in inverno scende sotto zero. A questa temperatura, il COP diminuisce rapidamente e lo sfruttamento dell’aria è possibile solo in regime bivalente. Per questo motivo l’uso dell’aria interna (calda) è più vantaggioso.
Acqua – L’acqua di falda sotterranea, di lago o di un fiume ma anche l’acqua reflua costituisce anch’essa un’interessante sorgente termica. Il suo uso, tuttavia è limitato alle zone in cui è possibile estrarre l’acqua ad un costo interessante (vicino alla riva o in presenza di falde a debole profondità). La temperatura dell’acqua di falda e di un pozzo è più stabile e questo garantisce maggiori prestazioni da parte della pompa. La temperatura dell’acqua di falda varia durante l’anno al massimo di 8-10°C. Lo sfruttamento di questa sorgente consente un regime monovalente della pompa di calore e rende il COP abbastanza stabile.
Terra – La Terra è in grado di fornire dell’energia termica, da considerare rinnovabile a tutti gli effetti. Infatti, sia le precipitazioni, sia le reazioni naturali che hanno luogo nel sottosuolo, sia il calore che fluisce dal centro della terra verso la superficie, mantengono il sottosuolo a temperature praticamente costanti durante tutto l’anno (a parte i primissimi metri, che subiscono l’influenza dell’inverno), complice anche l’enorme inerzia termica.
In questo caso possiamo differenziare tra sistemi a collettori e a pozzi. I collettori sono batterie di tubi interrati in cui circola un fluido che assorbe il calore della terra.
Il sistema richiede ampie superfici di terreno non edificate e non ostruite. L’acqua fredda rilasciata dalla pompa di calore si riscalda sotto terra, ma la temperatura che assume dipende dalla lunghezza dei tubi. Per essere efficace il sistema richiede un’area da 2 a 3 volte superiore rispetto alla superficie dei locali da riscaldare. Il calore estratto dalla terra non deve superare quello fornito dal sole. Il limite è di circa 20-40 W/m2 e dipende dal tipo di terra. Estraendo troppo calore dalla terra, la stessa si raffredderebbe e non servirebbe più come sorgente energetica. Nel caso di impianti monovalenti occorre un collettore con una superficie corrispondente al 100-150% di quella che si vuole riscaldare. Un impianto bivalente elettrico ne richiede invece solo la metà.
I pozzi sono invece tubi verticali che non richiedono elevate aree di terreno e possono raggiungere una profondità di centinaia di metri. Questi pozzi consentono un regime monovalente della pompa di calore con un COP quasi costante. Da ciascun pozzo si può ottenere un guadagno di calore di 4-6 kW.
Le temperature del sottosuolo, fino a 100-200 m di profondità si aggirano sui 10-15 gradi circa (il gradiente termico superficiale da noi è di ca. 3°C/100m). La tecnica di estrazione del calore consiste nel praticare un foro verticale nel terreno per ca. 80-120 m e nell’inserirvi dei circuiti chiusi percorsi da una soluzione di acqua miscelata con antigelo. La soluzione viene portata alla pompa di calore che la utilizza come sorgente fredda. Grazie al fatto che il terreno è a temperatura costante durante tutto l’anno, la pompa di calore mantiene sempre un’efficienza elevata di lavoro.
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