Pompe di calore: cosa sono e come funzionano

Le pompe di calore sono sistemi progettati per prelevare energia termica da un ambiente e rilasciarla in un secondo ambiente a temperatura superiore (riscaldamento) o inferiore (raffrescamento).

Per effettuare il trasferimento, una pompa di calore si serve dell’energia termica presente nell’aria, nel sottosuolo, nelle falde acquifere, ecc.

Per capire come funziona una pompa di calore usata per riscaldare gli ambienti interni, dobbiamo immaginare un frigorifero il cui meccanismo di funzionamento è invertito. Il frigorifero, infatti, estrae calore dall’interno a temperatura inferiore per portarlo verso l’esterno a temperatura superiore; una pompa di calore estrae calore da elementi esterni come l’aria, la terra o l’acqua e lo porta all’interno dell’edificio dove la temperatura è superiore.

All’opposto, una pompa di calore usata per abbassare la temperatura degli ambienti funziona come un frigorifero.

In commercio sono disponibili diversi gruppi termoelettrici aria-aria e aria-acqua con coefficiente di prestazione (CoP) elevato, tra cui scegliere la pompa di calore più adatta al contesto di installazione.

Ecco nello specifico come funzionano le pompe di calore: la loro funzione è quella di trasportare energia termica allo scopo di riscaldare o raffrescare un ambiente. Il funzionamento dell’apparato dipende da quattro elementi di base:

• Compressore: ha il compito di generare una differenza di pressione per avviare il ciclo termodinamico;
• Evaporatore: parte del sistema di scambio dove il fluido evapora a bassa pressione mentre assorbe il calore. Qui avviene anche la fase di compressione;
• Condensatore: il fluido evaporato e compresso condensa ad alta pressione nel condensatore per rilasciare il calore accumulato nelle fasi precedenti;
• Valvola di laminazione: nell’ultima fase del ciclo, il fluido transita in quest’area della pompa di calore dove la pressione viene ridotta per riportare il fluido allo stato di liquido.

Un ruolo importante nel meccanismo di funzionamento di una pompa di calore è rivestito dallo scambiatore di calore a piastre o di altra concezione, che al termine del processo cede il calore generato all’interno della pompa di calore.

Passiamo ai consumi, per capire quanto consumano le pompe di calore industriali. Sono disponibili diverse versioni con potenze espresse in watt (W), che si adattano alle esigenze di raffrescamento o riscaldamento degli ambienti.

Troviamo così pompe di calore da 21 W, 40 W, 52 W, 101,5 W e oltre con cui dissipare il calore proveniente dai macchinari e dalle sale tecniche di ogni dimensione.

Tali pompe di calore dissipano calore anche con l’ausilio di dissipatori di calore di tipo meccanico, tra cui i più conosciuti sono i dissipatori passivi costituiti da lamelle metalliche che convogliano lontano il calore in eccesso.

Il principio di funzionamento delle pompe di calore per il riscaldamento degli ambienti è identico a quello spiegato nella sezione precedente.

Va ricordato che le pompe di calore funzionano al meglio in presenza di un’ampia superficie di scambio in grado di garantire il massimo rendimento energetico.

Nei casi in cui gli ambienti da riscaldare siano dotati di radiatori, possono essere adottate altre soluzioni classiche, comunque efficaci. Si pensi agli impianti di riscaldamento centralizzati dove la distribuzione del calore è affidata ai radiatori. In questi casi, per migliorare l’efficienza dell’impianto può essere indicato l’uso di una pompa per impianti di riscaldamento centralizzati, che forza l’acqua calda prodotta dalla caldaia a scorrere più rapidamente nell’impianto in modo tale che sia ancora calda quando giunge ai radiatori più lontani.

La pompa di calore aria-acqua produce acqua sanitaria calda o la rende disponibile per il riscaldamento degli ambienti interni, prelevando il calore presente nell’aria esterna all’edificio. Vediamo in dettaglio come funzionano le pompe di calore aria-acqua.

L’aria esterna viene indirizzata verso uno scambiatore in cui circola un liquido scambiatore resistente al gelo. Essendo il liquido più freddo dell’aria esterna, preleva il calore dall’aria riuscendo a lavorare anche con temperature sottozero.

Il liquido refrigerante, che vaporizza anche a basse temperature, entra nel compressore dove viene compresso per innalzarne ulteriormente la temperatura. A questo punto il calore viene trasferito al circuito di riscaldamento o all’acqua sanitaria.

Va ricordato che la differenza di temperatura tra il liquido scambiatore e l’aria esterna è fondamentale per il funzionamento e per la resa della pompa di calore aria-acqua.

Credits: PIRO

Per capire se una pompa di calore è ad alta efficienza, è sufficiente controllare il coefficiente di prestazione (Coefficient of Performance, CoP) che serve a calcolare il rapporto tra la capacità in riscaldamento (espressa in kWh) fornita dalla pompa di calore e l’energia elettrica consumata (espressa ancora in kWh).

Se il valore è compreso tra 3 e 6, ciò significa che per ogni kilowatt elettrico consumato ogni ora vengono prodotti tra i 3 e i 6 kWh di energia termica. Va da sé che maggiore è il CoP, più il generatore è considerato efficiente.

Da un punto di vista tecnico, le pompe di calore ad alta efficienza per eccellenza sono quelle geotermiche.

Credits: Sabine Kroschel

La pompa utilizza un sistema di accumulo per garantire il riscaldamento e il raffrescamento, e opzionalmente può essere dotata di un bollitore per la produzione di acqua calda sanitaria. Il sistema così costituito costituisce la centrale termica della pompa di calore geotermica.

A differenza degli altri sistemi, un sistema geotermico sfrutta la differenza di temperatura del sottosuolo rispetto alla temperatura interna dell’edificio.

La temperatura nel sottosuolo, a diversi metri di profondità, resta invariata in qualsiasi periodo dell’anno (+12/+14 °C); per questo è più fresca d’estate, quando generalmente negli edifici fa più caldo, ed è più calda d’inverno, quando il termometro può scendere anche sotto lo zero.

Grazie alla temperatura costante nel sottosuolo che si presenta con valori più bassi d’estate e più alti nei mesi freddi dell’anno, le pompe di calore geotermiche sono considerate le più efficienti e quelle con le rese più elevate in ogni stagione dell’anno.

Oltre ai tipi fondamentali di pompe di calore già presentati, le pompe di calore possono essere suddivise in due categorie:

• Pompe di calore alimentate dall’elettricità;
• Pompe di calore alimentate a gas.

Le pompe di calore a gas si basano sul principio dell’assorbimento e utilizzano un bruciatore alimentato a gas naturale o GPL.

Il funzionamento delle pompe di calore elettriche, invece, si basa su un compressore attivato da un motore elettrico collegato alla rete elettrica.

Le pompe di calore elettriche sono generalmente più diffuse e utilizzate grazie alla minore complessità del sistema.

Da alcuni anni le pompe di calore si affermano come una valida alternativa per il riscaldamento di strutture abitative e per la climatizzazione di uffici e fabbriche, grazie ai minori consumi energetici garantiti da questi impianti e in particolare dalle pompe di calore geotermiche.

Più in generale, la gestione termica in ambito professionale e industriale riveste un ruolo fondamentale per il raffreddamento o il riscaldamento di dispositivi elettronici. Nell’apposita categoria dedicata alla gestione termica per l’elettronica troverai tutti i componenti necessari alla tua attività.