Pompe di calore
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, utilizzando energia meccanica.Può essere pertanto utilizzata sia per il condizionamento degli edifici che per la preparazione di acqua calda sanitaria e può essere una valida alternativa ai sistemi di climatizzazione tradizionali come le caldaie (a gasolio o a gas) o i condizionatori elettrici.
Esempi comuni di macchine di questo tipo sono:
- refrigeratori;
- condizionatori d'aria;
- pompa di calore a compressione di gas;
- pompa di calore a cambiamento di fase;
- pompa di calore termoelettrica a effetto Peltier;
- pompa di calore a scambio geotermico;
- Vortex, detto anche tubo di Ranque-Hilsch.
Si noti che, nel campo di condizionamento dell'aria, il termine pompa di calore è specificamente riferito ad un condizionatore d'aria con valvola reversibile, che cambia la direzione di scorrimento del fluido refrigerante e permette così sia di apportare che di estrarre calore da un locale di un edificio.
Il ciclo di Carnot
Il funzionamento della pompa di calore si basa sulla macchina di Carnot. Questa macchina è costituita da un gas racchiuso in un recipiente cilindrico dotato di pistone. Il recipiente può essere a piacere posto in contatto con due sorgenti di calore, una a temperatura maggiore (ad esempio un impianto di riscaldamento) e una a temperatura inferiore (ad esempio il sottosuolo), oppure può essere lasciata isolata dall'esterno.
E' possibile seguire un ciclo misurando le variazioni di pressione all'interno del cilindro. Infatti se un gas viene compresso in un volume più piccolo la sua pressione aumenta ).
Nella Macchina di Carnot, questo aumento di pressione può avvenire a temperatura costante oppure no. Per ottenere una variazione di pressione a temperatura costante è necessario tenere il cilindro a contatto con un Serbatoio di Calore, in modo che il calore sviluppato durante la compressione fluisca fuori da esso.
Invece se teniamo il cilindro isolato termicamente, durante la compressione aumenta la temperatura del gas che si traduce subito in un ulteriore aumento della pressione da sommarsi all'aumento dovuto alla compressione. (Lo vediamo dall'equazione di stato: P*V/T = Costante ) La compressione a temperatura costante è detta Isotermica, mentre la compressione in cui il cilindro è isolato dall' esterno si chiama Adiabatica.
E' chiaro che partendo dallo stesso stato un determinato aumento di pressione si raggiunge più velocemente ( cioè con una minore diminuzione di volume ) nel caso di una compressione Adiabatica, come mostrato nel Diagramma di Stato . Tutto ciò è valido anche nel caso del processo inverso, cioè quando espandiamo il gas: anche in questo caso una espansione Adiabatica avviene più velocemente di una espansione Isoterma.
La macchina di Carnot rappresenta una macchina termodinamica "ideale" capace, operando fra due sorgenti di calore (termostati), di produrre lavoro meccanico con il massimo rendimento. Le fasi di un ciclo di Carnot sono mostrate nell'illustrazione.
Durante la I fase (espansione isoterma), il sistema è posto in contatto con una sorgente a temperatura T1 : si espande e assorbe calore dalla sorgente, mantenendo perciò la sua temperatura costante.
Durante la fase II (espansione adiabatica) il sistema è isolato e non può scambiare calore con l'esterno: espandendosi, si raffredda fino alla temperatura T2.
Nella fase III (compressione isoterma) il sistema è posto in contatto con una sorgente a temperatura T2 (più fredda di T1): mentre viene compresso, cede calore per mantenere costante la sua temperatura.
La IV fase (compressione adiabatica), in cui il sistema è nuovamente isolato dall'esterno, chiude il ciclo: il sistema subisce una compressione e, non potendo cedere calore all'esterno, innalza la sua temperatura al valore iniziale T1.
Il motore di un'automobile, ad esmpio, compie un ciclo termodinamico, ma non ideale: la sua efficienza è perciò ridotta rispetto al valore massimo che si potrebbe ottenere con una macchina di Carnot. Solo in una macchina di Carnot, infatti, il lavoro fornito è esattamente pari alla differenza fra calore assorbito e calore ceduto durante il ciclo.
Il circuito frigorifero
Il principio di funzionamento di una pompa di calore si basa sul ciclo termodinamico chiamato "ciclo frigorifero", o "ciclo motore inverso", analogo a quello che sta alla base di un comune frigorifero. Considerando positive le energie entranti, la macchina a vapore trasforma l'energia entrante sotto forma di Calore ( +Qc ) in energia utile, lavoro(-Lt); nella macchina frigorifera, i segni delle energie sono invertiti; si interviene quindi sul ciclo immettendo lavoro (+Lc ), con la conseguenza che il sistema assorbirà il calore (- Qe ) . La macchina frigorifera è composta da quattro sistemi aperti, che collegati fra loro generano un sistema chiuso.
La figura mostra un diagramma schematico di un impianto frigorifero elementare per la produzione di freddo. Questo ciclo costituisce un esempio importante per la produzione ad esempio di impianti di condizionamento o impianti geotermici. Il funzionamento di questo impianto, si basa su continue variazioni di pressioni e volume, di una relativamente piccola massa costante di un liquido, con particolari proprietà chimico fisiche, chiamato "refrigerante" che viene fatto passare, tramite un compressore, in un condensatore, successivamente attraverso una valvola di laminazione e poi nell'evaporatore. Per chiudere il ciclo è necessario infine abbassare pressione e temperatura, il che avviene facendo passare il fluido, ormai in forma liquida, attraverso un organo di laminazione che solitamente è un capillare, una valvola termostatica o una valvola elettronica di laminazione.
Il compressore
All'inizio il liquido viene compresso adiabaticamente nel compressore, che necessita però, di una certa energia esterna ( lavoro Lc ), per essere mosso: questo azionamento è effettuato nella maggior parte dei casi tramite motori elettrici (anche se non mancano esempi di accoppiamento con motori a combustione interna o macchine alternative a vapore).
Compressione adiabatica del compressore nel grafico P V
Come si evince chiaramente dal ciclo termodinamico, l'energia spesa dal compressore si trasferisce nel gas evolvente, che, per effetto di questo lavoro, si surriscalda rispetto alla temperatura di saturazione che compete alla pressione raggiunta a valle del compressore.
Il Condensatore
Il vapore surriscaldato giunge ad alta pressione dal compressore. Con una trasformazione isobara, viene raffreddato, fino ad una temperatura ottenibile tramite un semplice raffreddamento ad aria o acqua, che in alcuni casi può essere anche forzato.
Trasformazione isobara del condensatore nel grafico P V
Il refrigerante dunque, mantenendo costante la sua pressione si condensa totalmente, passando dallo stato gassoso a quello liquido, ad una temperatura inferiore, e rilasciando perciò una certa quantità di calore ( Qc ) dal sistema.
La valvola di laminazione
Nella valvola di laminazione il fluido refrigerante effettua una espansione isoentalpica, che in questo caso, non avviene in un organo meccanico, come lo era la turbina nel ciclo della macchina a vapore, capace anche di scambiare lavoro con l'esterno.
Infatti, a causa del ridotto volume specifico che il fluido ha durante la sua trasformazione, il lavoro ottenibile nell'espansione, sarebbe solamente una piccola frazione di quello speso nel compressore, e non giustificherebbe l'uso di un espansore meccanico, delicato e costoso.
Espansione adiabatica della valvola do laminazione nel grafico P V e grafico P V dell'espansione della turbina con Lavoro che sarebbe potuto essere recuperato.
Da questo deriva che bisogna tener conto dell'irreversibilità di questa espansione, perfino nei cicli inversi standard ideali.
L'Evaporatore
Nell'evaporatore il liquido completa il cambiamento di fase vaporizzando, e passa dallo stato liquido a quello gassoso.
Vaporizzazione isoterma e isobara dell'evaporatore nel grafico P – v
La vaporizzazione è isoterma e isobara e il refrigerante assorbe una grande quantità di calore ( Qe ) dall'ambiente circostante, raffreddandolo.
Lo scopo della macchina frigorifera, come abbiamo visto, è di trasformare l'energia entrante sotto forma di lavoro (Lc), in assorbimento di calore (Qe), uscente.
La prestazione di una pompa di calore
Si può definire attraverso due parametri: il COP e il GUE.
1) Il COP
L'efficienza di una pompa di calore e' misurata dal coefficiente di prestazione "COP", dato dal rapporto tra energia elettrica resa (calore ceduto al mezzo da riscaldare) ed energia consumata. Un valore del COP pari a 3 significa che per 1 kWh di energia elettrica consumato, la pompa di calore renderà 3 kWh d'energia termica all'ambiente da riscaldare ; uno di questi fornito dall'energia elettrica consumata mentre gli altri due vengono prelevati dall'ambiente esterno. Tenendo conto della gratuità dell'energia prelevata dall'ambiente esterno possiamo dire che l'efficienza della pompa di calore è del 300 %. In realtà, per una valutazione più corretta, occorre considerare anche l'energia primaria necessaria a produrre il chilowattora consumato dalla pompa, tenendo conto dei rendimenti della catena di produzione, trasporto e distribuzione dell'energia elettrica. Questa energia, infatti, proviene in gran parte da fonti fossili e da importazioni di energia elettrica dall'estero. Si può dire, comunque, che la pompa di calore dà la possibilità di avere dei rendimenti complessivi medi stagionali compresi tra il 110 ed il 140%, mentre l'attuale parco caldaie presenta rendimenti di produzione medi stagionali inferiori all'80%. Il COP di una pompa di calore dipende da diversi fattori: -dalla tipologia e dal modello utilizzato; -dalle condizioni climatiche del luogo di installazione; -dalle modalità di funzionamento dell'impianto. Il COP risulta in ogni caso tanto maggiore quanto più bassa e' la differenza di temperatura tra l'ambiente da riscaldare e la sorgente di calore naturale utilizzata. Il COP che viene riportato nei dati tecnici delle pompe di calore fa riferimento all'energia elettrica assorbita e include il consumo dei ventilatori e dell'energia elettrica necessaria al pompaggio dei fluidi attraverso gli scambiatori di calore, il tutto in condizioni medie di funzionamento. I valori riportati qui di seguito indicano (in base alla norma EN255) dei valori di riferimento in funzione alle diverse tipologie di pompa di calore:
a) aria-acqua (con presa d'aria a 2°C e fornitura d'acqua a 35°C ) COP = 3
b ) a sonda geotermica (terra-acqua) (con sonda a 0°C e fornitura d'acqua a 35°C) COP = 4
c) acqua-acqua (con acqua di prelievo del calore a 10°C e fornitura d'acqua a 35°C) COP = 4.5
2) IL GUE
L'efficienza di una pompa di calore a gas è misurata dal valore di efficienza di utilizzazione del gas "G.U.E." (Gas Utilization Efficienty), che è il rapporto tra l'energia fornita (calore ceduto al mezzo da riscaldare) e energia consumata dal bruciatore. Il G.U.E. è variabile sia in funzione del tipo di pompa di calore sia delle condizioni climatiche e di quelle di funzionamento. Assume, in genere, valori pari a circa 1,5. Questo vuol dire che, per 1 kWh di gas consumato, la pompa fornirà 1,5 kWh di calore al mezzo da riscaldare. La pompa di calore a gas può funzionare fino a temperature dell'aria di -20°C, con un'efficienza intorno a 1, paragonabile a quella di una caldaia a condensazione. Il funzionamento delle pompe di calore ad assorbimento a gas è del tutto analogo a quello delle pompe di calore elettriche ma, invece di basarsi su di un ciclo frigorifero a compressione utilizzano un ciclo frigorifero ad assorbimento, in cui si sfrutta il calore di dissoluzione di un soluto in un solvente (generalmente acqua) che viene ciclicamente concentrato e diluito. Come soluto, di norma, viene utilizzato il bromuro di litio o ammoniaca. La soluzione liquida del fluido 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.
Le pompe a ciclo invertibile o reversibile
Una pompa di calore si dice "reversibile" quando è utilizzabile sia per riscaldare che per raffrescare un ambiente. Attualmente esse rappresentano la quasi totalità delle pompe di calore. Con il loro utilizzo uno stesso ambiente confinato può essere considerato sia come sorgente fredda (e quindi si asporta calore dal suo interno) sia come pozzo caldo (pompa di calore a ciclo invertibile). Sono quindi utilizzabili tanto in estate che in inverno e rappresentano il sistema da prediligere quando si intende provvedere anche al condizionamento estivo. Una pompa di calore a ciclo invertibile ha una capacità di raffrescamento di poco inferiore a quella del riscaldamento. Il dimensionamento dell'impianto di climatizzazione va fatto, in generale, sulle esigenze di raffrescamento.
Brochure " Le pompe di calore" della Caleffi