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Pompe di calore a confronto - Principi base

Che cos'è la pompa di calore


La pompa di calore è una macchina in grado di trasferire calore presente in un fluido a temperatura più bassa ad un altro a temperatura più alta.
La pompa di calore deve il suo nome al fatto che essa provvede a trasportare del calore da un livello inferiore a un livello superiore di temperatura, invertendo il flusso naturale del calore che in natura, come noto, fluisce da un livello (temperatura) più alto ad uno più basso.
La funzione della pompa di calore può quindi essere paragonata a quella di una pompa per l'acqua posta tra due bacini collegati tra loro ma posizionati a quote diverse: l'acqua naturalmente scorrerà dal bacino più alto a quello più basso. È però possibile riportare l'acqua nel bacino più alto utilizzando una pompa che preleva l'acqua dal bacino più basso pompandola verso il bacino più in alto.

In commercio oggi sono disponibili diversi tipi di pompe di calore: quelle elettriche, cioè funzionanti per mezzo di un compressore che funziona elettricamente, e quelle ad assorbimento, funzionanti per mezzo di un bruciatore alimentato a gas metano o GPL.

Pompe di calore a confronto - Principi base
Pompe di calore a confronto - Principi base

Di seguito vediamo sinteticamente le caratteristiche delle pompe di calore, evidenziando nel contempo le differenze tra i due tipi oggi disponibili.
 
 

Com'è fatta e come funziona una pompa di calore


La pompa di calore è costituita da un circuito chiuso, percorso da uno speciale fluido (frigorigeno) che, a seconda delle condizioni di temperatura e di pressione in cui si trova, assume lo stato liquido o gassoso (vapore).

Il circuito chiuso è costituito da:
Pompa di calore ad assorbimento a gas Pompa di calore elettrica
un generatore
un assorbitore
un compressore
un condensatore un condensatore
una serie di restrittori una valvola di espansione
un evaporatore un evaporatore

Il condensatore e l'evaporatore sono costituiti da scambiatori di calore, cioè particolari tubi posti a contatto esternamente con i fluidi di servizio (che possono essere acqua o aria) all'interno dei quali scorre il fluido frigorigeno. Quando questo si trova ad alta temperatura nel condensatore cede calore all'acqua o all'aria (lato ad alta temperatura) mentre quando si trova a bassa temperatura nell'evaporatore (lato a bassa temperatura) sottrae calore all'aria o all'acqua.

Nel funzionamento il fluido frigorigeno, all'interno del circuito, subisce le seguenti trasformazioni:
 
Pompa di calore ad assorbimento a gas Pompa di calore elettrica
Condensazione: il fluido frigorigeno, proveniente dal generatore passa dallo stato gassoso a quello liquido, cedendo calore al fluido esterno (acqua o aria). Condensazione: il fluido frigorigeno, proveniente dal compressore, passa dallo stato gassoso a quello liquido cedendo calore all'esterno.
Espansione: passando attraverso dei restrittori, cioè restringimenti opportunamente calibrati, la pressione e la temperatura del fluido frigorigeno liquido si abbassano. Espansione: passando attraverso la valvola di espansione il fluido frigorigeno liquido si raffredda e si trasforma parzialmente in vapore.
Evaporazione: il fluido frigorigeno assorbe calore dal fluido esterno (aria o acqua) ed evapora completamente ritornando gassoso. Evaporazione: il fluido frigorigeno assorbe calore ed evapora completamente.
Assorbitore: il fluido frigorigeno viene assorbito dal fluido assorbente, rendendolo nuovamente liquido.
Generatore: la soluzione liquida dei fluidi frigorigeno ed assorbente viene riscaldata nel generatore per mezzo di un bruciatore a gas, separando il fluido refrigerante, che evapora aumentando di temperatura e di pressione.
Compressione: il fluido frigorigeno allo stato gassoso e a bassa pressione, proveniente dall'evaporatore, viene portato ad alta pressione; nella compressione si riscalda assorbendo una certa quantità di calore.
L'insieme di queste trasformazioni costituisce il ciclo della pompa di calore a gas: fornendo energia con il bruciatore a metano/GPL il fluido frigorigeno nell'evaporatore assorbe calore dal fluido esterno e, tramite il condensatore, lo cede al mezzo da riscaldare. L'insieme di queste trasformazioni costituisce il ciclo della pompa di calore: fornendo energia con il compressore al fluido frigorigeno questo, nell'evaporatore, assorbe calore dal mezzo circostante e, tramite il condensatore, lo cede al mezzo da riscaldare.
 
 

Efficienza della pompa di calore


Nel corso del suo funzionamento, la pompa di calore:
 
Pompa di calore ad assorbimento a gas Pompa di calore elettrica
Consuma gas metano/GPL nel generatore. Consuma energia elettrica per il compressore.
Assorbe calore nell'evaporatore, dal mezzo circostante, che può essere aria o acqua. Assorbe calore nell'evaporatore, dal mezzo circostante, che può essere aria o acqua.
Cede calore al mezzo da riscaldare nel condensatore (aria o acqua). Cede calore al mezzo da riscaldare nel condensatore (aria o acqua).

Il vantaggio nell'uso della pompa di calore deriva dalla sua capacità di fornire più energia (calore) di quella impiegata per il suo funzionamento in quanto estrae calore dall'ambiente esterno cioè utilizza energia rinnovabile contenuta nell'aria, nell'acqua, nel terreno.
 
Pompa di calore ad assorbimento a gas Pompa di calore elettrica
L'efficienza di una pompa di calore a gas è ­misurata dal valore di efficienza di utilizzazione del gas "G.U.E." (Gas Utilization Efficiency), che è il rapporto tra l'energia fornita (calore ceduto al mezzo da riscaldare) ed energia consumata dal bruciatore.
Il G.U.E. è variabile in funzione del tipo di pompa di calore e delle condizioni di funzionamento ed ha, in genere, valori intorno a 1,5.
Questo vuol dire che per 1 kWh di gas consumato fornirà 1,5 kWh di calore al mezzo da riscaldare(1).
L'efficienza di una pompa di calore elettrica è ­misurata dal coefficiente di prestazione "C.O.P." che è il rapporto tra energia fornita (calore ceduto al mezzo da riscaldare) ed energia elettrica consumata.
Il C.O.P. è variabile a seconda del tipo di pompa di calore e delle condizioni di funzionamento ed ha, in genere, valori intorno a 3.
Questo vuol dire che per 1 kWh di energia elettrica consumato, fornirà 3 kWh di calore al mezzo da riscaldare(1).
L'efficienza sarà tanto maggiore quanto più bassa è la temperatura a cui il calore viene ceduto (nel condensatore) e quanto più alta quella della sorgente da cui viene assorbito (nell'evaporatore).
Va tenuto conto inoltre che la potenza termica resa dalla pompa di calore dipende dalla temperatura a cui la stessa assorbe calore.
La pompa di calore a gas può funzionare fino a temperature dell'aria di -20°C (20° sotto lo zero) fornendo un'efficienza ancora intorno a 1, paragonabile a quella di una caldaia a condensazione. Quando la temperatura della sorgente fredda (aria) è inferiore a -5°C la pompa di calore spesso viene disattivata o compensata da una resistenza elettrica in quanto le sue prestazioni si riducono significativamente.

(1) E' da evidenziare che il G.U.E. è calcolato di fatto sull'energia primaria (cioè sul gas metano/GPL), mentre il C.O.P. sull'energia elettrica. Calcolando l'efficienza di una pompa di calore elettrica sul consumo di energia elettrica, dovremo tenere conto dell'energia consumata nelle centrali elettriche per produrre elettricità. Stimando un'efficienza media delle centrali del 36%, il C.O.P.ep delle pompe di calore elettriche sarà: C.O.P.ep = 3 x 0,36 = 1,1.
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