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LA POMPA DI CALORE PER LA CLIMATIZZAZIONE DEGLI AMBIENTI

CONVENIENZA DELLA POMPA DI CALORE

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 è 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 disponibile ovunque 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. Diversamente, invece, si puo' dire della pompa di calore "GEOTERMICA", ovvero quella che sfrutta il calore del terreno al posto dell'aria esterna. Infatti la temperatura del terreno e' praticamente costante in tutto l'arco dell'anno (circa 10°C) e permette a queste apparecchiature sempre la massima resa

IL PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO

La pompa di calore è 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, cioè, 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 è 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 è 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 è 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 è tanto maggiore quanto più bassa è 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 è necessario, il condizionamento estivo.
Tecnicamente la pompa di calore è 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 (è 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

L'acqua

Il terreno nel quale possono sotterrarsi apposite tubazioni collegate all'evaporatore.

Pozzo caldo

Il pozzo è caldo costituito dall'aria o dall'acqua da distruibuire agli ambienti da riscaldare.

LE DIVERSE POMPE DI CALORE

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, è 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, è 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 è però costosa sia per il terreno necessario che per la complessità dell'impianto.

IL DIMENSIONAMENTO 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