Tutto quello che c’è da sapere sulla tecnologia delle pompe di calore, su come sono fatte, sulle diverse tipologie esistenti e sul loro principio di funzionamento e applicazioni.
La pompa di calore non è altro che una macchina termica in grado di assorbire e trasferire l’energia termica da un ambiente a un altro, oppure da un corpo a un altro; il trasferimento può avvenire attraverso diverse forme di energia, ma di solito si usa l’energia meccanica.
In parole povere le pompe di calore sono macchine in grado di generare il freddo, e in alcuni casi anche il caldo, sfruttando i cambiamenti di stato di un liquido termovettore, come per esempio un fluido refrigerante.
Il principio di funzionamento della pompa di calore è stato studiato a partire dal XVIII secolo, e nel corso degli anni un gran numero di ingegneri, meccanici, fisici, medici e chimici hanno lavorato per mettere a punto questa tecnologia. Nel 1852, infatti, erano già state inventate le prime macchine frigorifere e nello stesso anno il famoso fisico Lord William Thomas Kelvin dichiarò che queste potevano essere utilizzate anche per produrre calore; Lord Kelvin dimostrò anche che le pompe di calore consumano meno energia rispetto ai sistemi di riscaldamento elettrici.
Cenni storici
L’origine della pompa di calore non è attribuibile al lampo di genio di una singola persona, quindi, ma è piuttosto il risultato dello sforzo comune di più persone; nonostante questa tecnologia sia stata studiata a partire da quasi tre secoli fa, inoltre, la prima pompa di calore ad azionamento elettrico di tipo geotermico venne brevettata soltanto nel 1912 dall’ingegnere messicano-svizzero Heinrich Zolley.
Di recente si sente parlare sempre più spesso di queste macchine, perché nel corso degli anni la tecnologia si è affinata al punto tale da consentire l’applicazione della pompa calore a una vasta gamma di elettrodomestici e impianti. Al giorno d’oggi le pompe di calore non si trovano soltanto nei condizionatori e nei refrigeratori infatti, e per fare un esempio basta citare l’asciugatrice a pompa di calore e la caldaia a pompa di calore.
Pompa di calore come funziona
Come accennato in precedenza il funzionamento della pompa di calore è basato sul trasferimento dell’energia termica. Questo trasferimento avviene sfruttando il cambiamento di stato di un fluido refrigerante che circola all’interno di un circuito chiuso.
Il circuito è costituito da un compressore e a un evaporatore collegati da un tubo dove all’interno scorre il fluido refrigerante. Il compressore è l’elemento che crea la differenza di pressione che innesca il ciclo termodinamico e gli permette di funzionare; questo, infatti, aspira il fluido refrigerante in uscita dall’evaporatore, lo comprime e lo spinge all’interno di un condensatore dove viene sottoposto ad alta pressione al fine appunto di condensare e tornare allo stato liquido, rilasciando così tutto il calore assorbito durante la fase di evaporazione.
Una volta tornato allo stato liquido, poi, il fluido refrigerante esce dal condensatore attraversando una valvola di laminazione, che riduce la pressione del fluido il quale rientra nuovamente nell’evaporatore ricominciando così il ciclo.
Le diverse tipologie di pompa di calore
Come abbiamo accennato nel paragrafo relativo ai cenni storici, il principio di funzionamento della pompa di calore è studiato da diversi secoli e di conseguenza questo ha portato alla messa a punto di diversi sistemi che hanno originato a loro volta diversi tipi di pompe di calore.
I principali sono tre: la pompa di calore aria aria, la pompa di calore aria acqua e la pompa di calore geotermica; quest’ultima a sua volta suddivisa in due tipologie: la pompa di calore acqua acqua e la pompa di calore terra acqua. In linea di principio questa differenziazione non è basata tanto sul funzionamento della pompa, ma sulle fonti di calore che essa sfrutta.
La pompa di calore aria aria
Questo tipo di pompa è adoperata soprattutto per le asciugatrici e per i climatizzatori, e funziona assorbendo il calore dall’aria che si trova all’esterno per trasferirlo all’aria interna. Per quanto riguarda nello specifico gli impianti di climatizzazione, inoltre, la pompa di calore è in grado di produrre anche aria fredda invertendo il ciclo termodinamico del fluido refrigerante. L’aria fredda viene poi emessa all’interno dell’abitazione attraverso lo split, che può essere equipaggiato con un apposito deflettore per condizionatore in modo da attenuare la potenza del getto d’aria.
La pompa di calore aria acqua
Anche in questo caso l’energia termica viene prelevata dall’aria presente all’esterno dell’abitazione, ma invece di essere ceduta all’ambiente interno viene trasferita all’acqua del circuito dei termosifoni, oppure a quella dell’impianto a pannelli radianti. A differenza delle pompe di calore aria aria, le cui unità motore possono essere installate anche all’interno dell’abitazione, le pompe di calore aria acqua devono essere installate per forza all’esterno, e quindi devono essere dotate di unità di sbrinamento quando si trovano in zone climatiche rigide.
Questa tipologia di pompa è adatta soprattutto per sostituire gli impianti di riscaldamento alimentati a metano, anche nei condomini e nelle aree urbane, in quanto non richiedono grossi interventi di modificazione.
Le pompe di calore geotermiche
Come accennato in precedenza, le pompe di calore geotermiche possono essere di due tipi: acqua acqua e terra acqua. Nelle prime pompe il calore viene prelevato da una falda acquifera sotterranea oppure da acqua di superficie; di conseguenza possono essere installate soprattutto in abitazioni che sorgono su falde acquifere o in prossimità di fiumi, laghi o mare.
Ovviamente la resa migliore è offerta dalle pompe acqua acqua collegate a una falda acquifera sotterranea, perché sottoterra la temperatura dell’acqua è costante per tutto l’anno; se è collegato ad acque di superficie, invece, l’impianto è soggetto a una serie di potenziali rischi che bisogna valutare con attenzione. L’acqua salmastra potrebbe corrodere i componenti interni della pompa, per esempio, mentre l’acqua di fiume o di lago potrebbe gelare durante l’inverno.
Nelle pompe di calore terra acqua, invece, il calore viene prelevato direttamente dal terreno e poi trasferito all’acqua del circuito dei termosifoni. In questo caso l’unica problematica consiste nell’elevato costo di installazione dell’impianto, che richiede la realizzazione di una rete di sonde sotterranee.
Entrambi i tipi sono adatti soprattutto per l’installazione in villette o in case di grandi dimensioni, soprattutto se dotate di impianti a pannelli radianti.
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