Pompe di calore

BREVE STORIA

La storia delle pompe di calore, in pratica, ha inizio solo con la crisi petrolifera del 1973 che portò i costi dei combustibili a livelli molto elevati. Fu questa crisi a ben evidenziare che, in certi casi, può convenire derivare calore da una sorgente fredda piuttosto che produrlo direttamente, cioè che può convenire usare una pompa di calore piuttosto che una caldaia. Le pompe di calore si diffondono tuttavia in modo significativo solo dopo i primi anni del 2000, vale a dire solo quando, oltre al problema del costo dei combustibili, cominciano ad entrare in gioco anche i problemi ambientali cioè problemi connessi al fatto che bruciando i combustibili si immettono nell’atmosfera polveri sottili e sostanze tossiche pericolose per la nostra salute e quella del nostro pianeta. È tutto ciò ha indotto, e sta inducendo, diversi paesi ad incentivare l’uso di impianti (per climatizzare ambienti e produrre acqua calda) alternativi a quelli con combustibili.

FUNZIONAMENTO

Le pompe di calore sono essenzialmente costituite da un circuito chiuso entro cui viene continuamente compresso e fatto espandere un apposito fluido, chiamato intermedio o frigorigeno. Ad ogni compressione ed ad ogni espansione (cioè ad ogni ciclo di lavoro) il fluido intermedio ruba un pò di calore al fluido freddo e lo cede a quello caldo. Quale fluido intermedio non si usa l’aria perché, pur essendo un fluido sicuro dal punto di vista ambientale e a costo nullo, comporta cicli di lavoro con resa termica molto bassa. Si usano, invece, fluidi che evaporano quando il calore viene assorbito e che condensano quando il calore viene ceduto. Tali passaggi di stato fanno infatti aumentare notevolmente la quantità di calore che ogni ciclo di lavoro è in grado di assorbire e di cedere. Invertendo i cicli di lavoro, queste macchine, possono essere utilizzate sia per riscaldare sia per raffreddare. Nel primo caso sono chiamate pompe di calore, nel secondo macchine frigorifere. Tuttavia si tratta di una differenza solo nominale. Il disegno sotto riportato evidenzia i principali componenti di una pompa di calore e la loro funzione.

SORGENTI DI CALORE UTILIZZABILI

Per alimentare il lato freddo delle pompe di calore si possono utilizzare diversi tipi di sorgente. La scelta dipende essenzialmente dai seguenti aspetti e fattori:

• le caratteristiche dell’ambiente esterno,
• le possibili limitazioni d’ordine normativo,
• le prestazioni richieste,
• il costo dell’impianto,
• i tempi di ritorno del maggior investimento.

Di seguito sono esaminate le sorgenti normalmente utilizzate e le loro caratteristiche principali.

Aria

Come sorgente di calore può essere utilizzata sia l’aria esterna sia l’aria interna di ricambio. L’aria esterna è sempre disponibile, non richiede mezzi di captazione costosi e per il suo uso non servono autorizzazioni. Tuttavia con temperature al di sotto dei 5-6°C, le prestazioni delle pompe di calore si abbassano molto e può essere necessario adottare sistemi integrativi del calore. Per l’aria di ricambio (normalmente disponibile a circa 20°C) non esistono gli inconvenienti di cui sopra, è però disponibile solo in quantità limitate.

Acque di superficie

Anche le acque del mare, dei laghi, dei corsi d’acqua e degli stagni possono essere utilizzate come sorgenti di calore. Va però considerato che, nei mesi più freddi, queste acque possono trovarsi a temperature molto basse e anche gelare. Pertanto, come nel caso dell’aria esterna, il loro uso può richiedere sistemi integrativi del calore.

Sottosuolo

Nel sottosuolo si trova accumulata una notevole quantità di energia, di origine soprattutto solare e geotermica. L’energia solare è accumulata a bassa profondità, mentre l’energia geotermica è prevalentemente accumulata nelle zone più profonde. L’energia del sottosuolo può essere utilizzata con l’aiuto dei seguenti mezzi:

• Acque di falda
• Collettori orizzontali - sono realizzati con tubi in materiale plastico e derivano calore da bassa profondità.
• Sonde verticali - sono realizzate inserendo tubi in materiale plastico in fori profondi 100-200 m.
• Pali energetici - sono realizzati inserendo tubi in materiale plastico nei pali di cemento delle fondazioni.

IMPIANTI DI RISCALDAMENTO UTILIZZABILI CON POMPE DI CALORE

Le prestazioni delle pompe di calore aumentano col diminuire della differenza di temperatura fra la sorgente fredda e il fluido caldo. Pertanto è bene riscaldare con basse temperature. In relazione a tale aspetto, i normali impianti di riscaldamento presentano i seguenti vantaggi e svantaggi:

• Impianti a pannelli radianti. Sono impianti che consentono un buon utilizzo delle pompe di calore in quanto funzionano a basse temperature. È bene comunque abbassare il più possibile tali temperature. Il che si può ottenere adottando pannelli con piccoli interassi (10-15 cm).
• Impianti a radiatori. Sono impianti adottabili dove non è possibile utilizzare i pannelli. Può essere, ad esempio, il caso di ristrutturazioni o di interventi di tipo conservativo. Il principale limite degli impianti a radiatori è dovuto al fatto che per poter funzionarea basse temperature richiedono soluzioni molto ingombranti. Ad esempio, se un radiatore a 80°C (temperatura media) emette 1.000 kcal/h, a 45°C ne emette solo 320, il che porta a notevoli sovradimensionamenti. Un altro limite è dovuto all’impossibilità di raffrescare coi radiatori.
• Impianti a ventilconvettori. Questi impianti sono normalmente utilizzati per climatizzare uffici, negozi, alberghi, case di cura. I ventilconvettori usati con pompe di calore devono essere comunque in grado di poter funzionare a basse temperature (40-45°C). Inoltre, se installati in camere, vanno adottati modelli con ventilatori a bassa rumorosità.
• Impianti ad aria. Sono impianti che possono essere realizzati con pompe di calore aria-aria o aria-acqua. Nel primo caso la pompa di calore alimenta direttamente i canali di distribuzione interna dell’aria. Nel secondo caso, invece, la pompa di calore fornisce l’acqua calda che serve ad alimentare una centrale di trattamento aria.

Fonte: rivista Idraulica - Caleffi