Storia e principio dell pompa di calore
Il principio su cui si basa la pompa di calore trova radici ben 150 anni fa, dove i primi prototipi di celle frigorifere venivano installati nei piroscafi argentini per il trasporto di carne. Con l’avanzare della tecnologia e lo sviluppo commerciale, i primi condizionatori pensati per raffrescare le case furono inventati intorno al 1920. Ovviamente questa tecnologia poteva permettersela solamente la classe alta della società, poiché il sistema utilizzato all’epoca richiedeva molte spese. Poi, intorno agli anni settanta, venne spostata l’unità del compressore, rumorosa e vibrante, all’esterno dell’abitazione, cosicché all’interno della camera vi fosse solamente l’unità ventilante, consentendo così un miglior riposo. Già dagli anni cinquanta venne sfruttato il sistema della pompa di calore non solo per trasferire calore da una zona a temperatura bassa verso una zona a temperatura più alta, ma anche per eseguire il ciclo inverso, ovvero per riscaldare un ambiente. Con la crisi petrolifera scoppiata intorno agli anni settanta e l’aumento esorbitante dei costi dei combustibili, il mercato vide favorita la pompa di calore per riscaldare un ambiente piuttosto che la classica caldaia.
Pompa di calore ed esempio di principio
Per spiegare il concetto alla base del quale c’è il funzionamento di una pompa di calore, si immagini una sfera capace di espandersi e di ritirarsi. Ipotizzando che la sfera contenga una data quantità di calore e la si comprima fino a fargli assumere la dimensione di una perlina. Il lavoro richiesto per portare la sfera dalle dimensioni iniziali fino a quelle della perlina comporta un innalzamento dell’energia termica all’interno del sistema. Ipotizzando che il sistema si trovi in condizioni ideali di compressione adiabatica, senza alcun trasferimento di calore, l’energia contenuta dalla sfera è il doppio. Così la temperatura delle pareti della sfera aumenta e si verifica un trasferimento di calore verso l’esterno. Ipotizzando che la sfera venga portata in un luogo più fresco, essa inizia ad espandersi e si verifica l’abbassamento della temperatura fino ad eguagliare quella esterna. Una volta che la perlina si è raffreddata, la si ricollochi nell’ambiente iniziale e si lasci completare la fase di espansione. Una volta ritornata alle dimensioni d’origine, la temperatura sarà troppo bassa e quindi la sfera assorbirà nuovamente l’energia esterna e raffredderà la zona circostante.
Componentistica del sistema pompa di calore
La pompa di calore è un sistema ideato per raffrescare o riscaldare un ambiente mediante l’ausilio di principi termodinamici e fisici. Il sistema termodinamico è caratterizzato schematicamente da alcuni componenti, ovvero dal fluido termovettore, dal compressore, dalla valvola d’espansione, dall’organo di laminazione esterno ed interno, dalla batteria condensante ed evaporante, ventole e schede elettroniche di controllo. Banalmente il suo nome è dovuto al fatto che il sistema si contrappone al processo naturale a cui il calore è soggetto. Infatti in natura il calore tende a trasferirsi verso le zone più fredde. La pompa di calore, paradossalmente, pompa letteralmente il calore di una determinata zona a bassa temperatura e lo porta verso un zona con una temperatura maggiore. Di conseguenza si otterrà un ulteriore abbassamento di temperatura della zona in cui vi è installato la pompa di calore.
Funzionamento della pompa di calore in fase di raffreddamento
La pompa di calore è un circuito chiuso. L’unità esterna è composta da compressore, condensatore, valvola d’espansione, ventola di scambio e alcuni modelli presentano delle schede di controllo. L’unità interna è costituita da evaporatore, ventola di scambio e alcuni modelli presentano una scheda di controllo. Quando si aziona la pompa d calore in raffrescamento si innesca il processo di scambio termico, dove il calore di una camera viene portato verso l’ambiente esterno, riducendone così la temperatura. Il meccanismo prevede la compressione di un fluido termovettore, il quale subisce l’innalzamento della temperatura. Il fluido viene spinto verso la valvola d’espansione, la quale provoca l’espansione del fluido, causando un brusco calo della temperatura. Il fluido arriva all’evaporatore sito nell’unità interna, all’interno della quale evapora. La ventola dell’unità intera soffia l’aria fredda derivante dall’organo di laminazione dell’evaporante e contemporaneamente aspira l’aria calda dell’ambiente di lavoro, riducendo così la temperatura. Il fluido ripete ciclicamente il processo.
Funzionamento della pompa di calore in fase di riscaldamento
In fase di riscaldamento, la pompa di calore esegue il ciclo inverso della fase in raffrescamento. Attivando il sistema, il compressore entra in funzione e comprime il fluido termovettore, il quale subisce un incremento di temperatura. Il fluido viene convogliato verso il condensatore che, tramite la ventola di scambio, funge da scambiatore di calore, e cede calore all’ambiente. Scambiando calore, il fluido raggiunge sezioni di circuito sempre più strette e ritorna liquido. A questo punto il fluido raggiunge la valvola d’espansione che nei modelli moderni è modulante, ovvero controllata da una scheda di controllo che regola e monitora i consumi del sistema. In questa fase il fluido subisce l’espansione e ritorna gassoso e viene portato verso l’unità esterna per poi ripetere il ciclo termodinamico.
Varie tipologie di sistemi
In commercio esistono varie tipologie di pompa di calore, ognuna adatta ad ogni circostanza. In particolare esistono le pompe di calore geotermiche, termoelettriche a effetto Peltier, a cambiamento di fase, a compressione di gas e a cambiamento di fase. Le pompe di calore geotermiche sfruttano il sottosuolo per catturare il calore accumulato durante il giorno per poi convogliarlo all'interno di un'abitazione. Questo sistema è un metodo alternativo di produrre calore, rispettando l'ambiente sostenendo così un energia ecosostenibile. La pompa di calore ad effetto Peltier sfrutta il principio termoelettrico secondo il quale due semiconduttori metallici vengono attraversati da un flusso elettrico. I semiconduttori sono collegati tra loro e si verifica la formazione di calore una volta che vengono attraversati dalla corrente elettrica. Il calore generato viene convogliato in un sistema che lo rilascia nell'ambiente da riscaldare. Infine, la pompa di calore al giorno d'oggi, con le tecnologie sempre in via di sviluppo, viene considerata come il mezzo più economico ed ecosostenibile per riscaldare o raffrescare un ambiente, sia in termini economici sia in termini di inquinamento.
Domande frequenti
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Come funziona tecnicamente una pompa di calore per riscaldare o raffrescare?La pompa di calore opera tramite un circuito chiuso contenente un fluido termovettore che cambia stato fisico. Per il raffrescamento, il fluido assorbe calore dall'ambiente interno (evaporazione) e lo cede all'esterno (condensazione), abbassando la temperatura della stanza. Per il riscaldamento, il ciclo si inverte: il compressore riscalda il fluido che cede calore all'interno attraverso il condensatore, mentre l'unità esterna preleva calore dall'ambiente esterno. In entrambi i casi, il sistema sposta energia termica anziché generarla direttamente, garantendo efficienza.
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Quali sono i principali vantaggi economici e ambientali rispetto alle caldaie tradizionali?Le pompe di calore offrono un elevato rendimento energetico, spesso superiore a 1:3, meaning che per ogni kWh di elettricità consumato si ottengono fino a 3-4 kWh di calore. Questo le rende molto più economiche da gestire rispetto alle caldaie a gas o olio combustibile, specialmente con l'aumento dei prezzi energetici. Inoltre, essendo alimentate prevalentemente da elettricità e non bruciando combustibili fossili in loco, riducono drasticamente le emissioni di CO2 e inquinanti atmosferici, contribuendo alla sostenibilità ambientale e all'efficienza energetica degli edifici.
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Esistono diversi tipi di pompe di calore? Quale scegliere?Sì, le principali tipologie sono quelle aria-acqua o aria-aria (scambiano calore con l'atmosfera), geotermiche (sfruttano il calore costante del sottosuolo tramite sonde) e quelle ad assorbimento. Le geotermiche sono generalmente più efficienti e stabili perché il terreno mantiene una temperatura costante tutto l'anno, ma richiedono opere di scavo più costose. Le versioni aria-aria o aria-acqua sono più facili da installare e meno invasive. La scelta dipende dal clima locale, dalla disponibilità di spazio esterno o giardino, e dal budget disponibile per l'impianto.
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Quali sono i componenti fondamentali interni ed esterni dell'impianto?Un sistema standard è diviso in due unità. L'unità esterna contiene il compressore, il condensatore (o evaporatore in modalità freddo), la valvola d'espansione e la ventola di scambio termico. L'unità interna ospita l'evaporatore (o condensatore a seconda della stagione), un'altra ventola per distribuire l'aria trattata e le schede elettroniche di controllo. Il cuore del sistema è il fluido refrigerante che circola tra queste unità, cambiando pressione e temperatura grazie al compressore e alla valvola di laminazione per effettuare lo scambio termico.
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È possibile utilizzare la stessa pompa di calore sia per il riscaldamento che per il raffrescamento?Assolutamente sì. Questa è una delle caratteristiche distintive e più vantaggiose della tecnologia. Grazie a una valvola a quattro vie che inverte il flusso del fluido refrigerante, la stessa macchina può funzionare in modalità riscaldamento (estrazione calore dall'esterno e immissione nell'edificio) o in modalità raffrescamento (estrazione calore dall'interno e smaltimento all'esterno). Questo elimina la necessità di avere due impianti separati, ottimizzando gli spazi e semplificando la manutenzione annuale.
