LA POMPA DI CALORE PER LA CLIMATIZZAZIONE DEGLI AMBIENTI
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IL PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO
La pompa di calore e' una macchina in grado di trasferire
calore, da un corpo a temperatura più bassa (sorgente fredda) ad un corpo a
temperatura più alta (pozzo caldo).
Essa opera con lo stesso principio del
frigorifero e del condizionatore d'aria ed il nostro interesse, secondo le
circostanze, può riguardare la sorgente fredda (raffrescamento) o il pozzo caldo
(riscaldamento ambiente o produzione d'acqua calda sanitaria).
Se siamo
interessati al riscaldamento, ad utilizzare, cioe', il calore tolto ad un
ambiente più freddo (per esempio l'aria esterna) trasferendo ad un ambiente più
caldo (per esempio il nostro appartamento), la pompa di calore diventa uno utile
strumento di risparmio energetico. In questo caso, infatti, il calore reso e'
pari all'equivalente dell'energia che forniamo alla macchina per farla
funzionare (generalmente energia elettrica) più il calore che la macchina riesce
a trasferire (pompare) dall'esterno all'interno.
L'efficienza di una pompa di
calore e' misurata dal coefficiente di prestazione "COP", dato dal rapportotra
energia resa (calore ceduto al mezzo da riscaldare) ed energia elettrica
consumata. Un valore del COP pari a tre vuol dire, ad esempio, che per ogni KWh
d'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 e gli altri due chilowattora prelevati dall'ambiente
esterno.
Tenendo conto della gratuità dell'energia prelevata
dall'ambiente esterno possiamo dire, con altre parole, che l'efficienza della
pompa di calore e' del 300 per cento. In realtà, per una valutazione più
corretta, occorre considerare anche l'energia primaria, necessaria a produrre il
chilowattora consumato dall'apparecchio, tenendo conto dei rendimenti della
catena di produzione, trasporto e distribuzione dell'energia elettrica. Questa
energia proviene in parte da fonti rinnovabili nazionali (idroelettrica,
geotermoelettrica, eolica, fotovoltaica - 18 % nel 1996) e da importazioni e,
per la maggior parte (68 % nel 1996), dalle centrali termoelettriche che
bruciano combustibile. Si può dire, comunque, che la pompa di calore da la
possibilità di utilizzare il combustibile di centrale e l'energia delle fonti
rinnovabili, con rendimenti complessivi medi annuali compresi tra il 110 ed i
140 per cento (gli attuali impianti a caldaia presentano rendimenti di
produzione medi stagionali inferiori al 80%).
Il COP di una pompa di calore
dipende dal modello e dalle condizioni climatiche e di funzionamento
dell'impianto ed e' tanto maggiore quanto più bassa e' la differenza di
temperatura tra l'ambiente da riscaldare e la sorgente di calore, gratuita,
utilizzabile. Esso ha valori prossimi a 3 quando si utilizza l'aria esterna, a
temperature non inferiori ai 4-5 °C e valori più elevati quando si sfruttano
l'acqua, il terreno, o, meglio ancora, i fluidi di scarto relativamente caldi,
come, ad esempio, l'aria viziata da ricambiare.
Nel calcolare il COP
effettivo di un impianto vanno, inoltre, considerati i consumi elettrici dei
dispositivi ausiliari come pompe, ventilatori e resistenze di sbrinamento.
Le
moderne pompe di calore hanno la caratteristica di vedere, su nostra decisione,
uno stesso ambiente sia come sorgente fredda sia come pozzo caldo (pompa di
calore a ciclo invertibile). Sono utilizzabili tanto in estate che in inverno e
rappresentano il sistema da preferire senz'altro quando si desidera o e'
necessario, il condizionamento estivo.
Tecnicamente la pompa di calore e'
costituita da un circuito chiuso, percorso da uno speciale fluido frigorigeno
che, al variare delle condizioni di temperatura e di pressione, assume lo stato
liquido o di vapore.
Il fluido frigorigeno viene fatto evaporare in una
serpentina posta nella sorgente fredda dalla quale assorbe il calore necessario
all'evaporazione. Successivamente viene compresso e in questo processo (e' la
fase nella quale si fornisce energia alla macchina) la temperatura del fluido
aumenta e raggiunge un valore più alto di quello del pozzo caldo. Il fluido
viene poi fatto condensare nella serpentina posta nel pozzo caldo al quale cede
il calore assorbito dalla sorgente fredda più il calore che ha ricevuto durante
la compressione. Il fluido, adesso allo stato liquido, passando attraverso una
valvola d'espansione si trasforma parzialmente in vapore e si raffredda,
raggiungendo una temperatura più bassa di quella della sorgente fredda.
Ritornato, a questo punto, nell'evaporatore, completa l'evaporazione e
ricomincia il ciclo.
Sorgenti fredde
Nell'utilizzo della pompa di calore per riscaldamento ambiente, le principali sorgenti fredde dalle quali estrarre il calore gratuito sono:
L'aria
- esterna al locale dove e' installata la pompa di calore;
- estratta dal locale dove e' installata la pompa di calore.
L'acqua
- di falda, di fiume, di lago, presente in prossimità dei locali da riscaldare e a ridotta profondità;
- accumulata in serbatoi e riscaldata da collettori solari.
Il terreno nel quale possono sotterrarsi apposite tubazioni collegate all'evaporatore.
Pozzo caldo
Il pozzo e' caldo costituito dall'aria o dall'acqua da distruibuire agli ambienti da riscaldare.
A seconda delle combinazioni delle sorgenti fredde
disponibili e del fluido (acqua o aria) usato per la distribuzione del calore
negli ambienti, si possono avere pompe di calore: aria-aria, aria-acqua,
acqua-aria, acqua-acqua, terra-aria e terra-acqua.
L'aria come sorgente
fredda ha il vantaggio d'essere disponibile ovunque; tuttavia la potenza resa
dalla pompa di calore diminuisce con la temperatura della sorgente fradda. Nel
caso si utilizzi l'aria esterna, e' necessario (intorno ai 4-5 °C), un sistema di
sbrinamento che comporta un ulteriore consumo d'energia elettrica. In definitiva
l'efficienza della pompa di calore si abbassa quando la temperatura dell'aria
esterna scende al di sotto di 5 °C fin quando potrà rendersene conveniente lo
spegnimento.
Più vantaggioso, naturalmente, e' l'impiego dell'aria
interna, viziata ma tiepida, da rinnovare. L'acqua, come sorgente fredda,
garantisce ottime prestazioni della pompa di calore, senza risentire delle
condizioni climatiche esterne; la sua utilizzazione può richiedere un leggero
costo addizionale dovuto al sistema d'adduzione.
Anche il terreno, usato come
sorgente fredda, ha il vantaggio di subire minori sbalzi di temperatura rispetto
all'aria. Le tubazioni orizzontali vanno interrate ad una profondità minima da 1
a 1,5 m per non risentire troppo delle variazioni di temperatura dell'aria
esterna e mantenere i benefici effetti dell'insolazione. Questa soluzione e' però
costosa sia per il terreno necessario che per la complessità
dell'impianto.
Il dimensionamento dell'impianto a pompa di calore richiede un'accurata valutazione dei fabbisogni termici. Si segnala, comunque, che una pompa di calore a ciclo invertibile ha una capacita di raffrescamento di poco inferiore a quella di riscaldamento; pertanto il dimensionamento dell'impianto di climatizzazione va fatto, in genere, sulle esigenze di raffrescamento.
E' da segnalare, inoltre, che
- ai sensi della L. 10/91, prima dell'inizio dei lavori, va depositato in Comune il progetto delle opere e una relazione tecnica secondo lo schema previsto dal Decreto del Ministero dell'Industria del Commercio e dell'Artigianato del 13/12/1993;
- l'installazione della pompa di calore deve essere effettuata da personale qualificato ai sensi della legge 46/90;
- alla fine dei lavori l'installatore dovrà rilasciare un certificato di regolare esecuzione che andrà conservato.
La necessità e la crescente richiesta, di comfort
abitativo spinge utenti e progettisti a porre attenzione sempre maggiore alla
razionale ed efficiente climatizzazione degli ambienti.
In questo contesto,
la pompa di calore a ciclo invertibile e' un utilissimo strumento in quanto,
oltre a permetterci di raffrescare in estate, in inverno, sfruttando per il
riscaldamento, il calore gratuito esterno, ci consente di risparmiare energia e,
quindi, di inquinare meno.
L'avere disponibileovunque l'aria esterna come
sorgente fredda rende le pompe di calore aria-acqua ed aria-aria i sistemi più
diffusi. La pompa di calore, tuttavia, nel caso in cui prelevi il calore
dall'aria esterna, non sempre può rimpiazzare completamente ed in maniera
economicamente conveniente, la tradizionale caldaia. Essa, infatti, può
assolvere, completamente e con buone performance, al riscaldamento degli
ambienti solo nelle zone climatiche nelle quali la temperatura esterna non
scenda, per lunghi periodi, al di sotto di 4-5 °C.