Una pompa di calore è una macchina termica che trasferisce calore da una sorgente a temperatura più bassa verso una sorgente a temperatura più alta usando lavoro meccanico o elettrico. Il principio non viola il secondo principio della termodinamica: il trasferimento contro gradiente termico è possibile perché il compressore fornisce energia al ciclo.
La pompa di calore non deve essere interpretata come una resistenza elettrica più efficiente, ma come una macchina di trasferimento. L’energia elettrica serve ad azionare il ciclo; la maggior parte del calore utile può provenire dall’aria esterna, dal terreno, dall’acqua o da una sorgente di recupero.
La grandezza più importante non è il rendimento nel senso classico, ma il coefficiente di prestazione:
dove Q_{caldo} è il calore ceduto all’ambiente da riscaldare e W è il lavoro assorbito dal compressore. Un COP pari a 4 significa che, per ogni unità di energia elettrica consumata, la macchina trasferisce quattro unità di energia termica verso l’ambiente caldo.
Il bilancio energetico del ciclo, in riscaldamento, è:
dove Q_{freddo} è il calore assorbito dalla sorgente fredda. Il COP può quindi essere maggiore di 1 perché il calore ceduto all’ambiente caldo non proviene solo dal lavoro elettrico: include anche energia termica prelevata dalla sorgente esterna.
COP di riscaldamento e di raffrescamento
La stessa macchina, se reversibile, può funzionare come pompa di calore in inverno e come macchina frigorifera in estate. Cambia quale effetto utile interessa.
In riscaldamento:
In raffrescamento:
Poiché:
per lo stesso ciclo ideale vale:
Nella pratica, ausiliari, ventilatori, pompe, controlli e condizioni operative rendono il confronto meno immediato, ma la distinzione resta fondamentale: in inverno conta il calore ceduto all’edificio; in estate conta il calore sottratto agli ambienti.
Ciclo frigorifero inverso
La pompa di calore a compressione di vapore usa un fluido refrigerante che cambia pressione, temperatura e stato fisico lungo quattro componenti:
| Componente | Funzione |
|---|---|
| Evaporatore | assorbe calore dalla sorgente fredda facendo evaporare il refrigerante |
| Compressore | aumenta pressione e temperatura del vapore |
| Condensatore | cede calore alla sorgente calda facendo condensare il refrigerante |
| Valvola di laminazione | abbassa pressione e temperatura prima del ritorno all’evaporatore |
Nel funzionamento invernale, l’evaporatore può trovarsi all’esterno e il condensatore all’interno. Il refrigerante evapora anche a temperature esterne basse perché la sua pressione viene regolata in modo che la temperatura di evaporazione sia inferiore a quella della sorgente fredda.
Il ciclo può essere seguito in quattro stati ideali:
| Stato | Condizione del refrigerante | Trasformazione successiva |
|---|---|---|
| 1 | vapore a bassa pressione, uscita evaporatore | compressione |
| 2 | vapore caldo ad alta pressione | condensazione |
| 3 | liquido ad alta pressione, uscita condensatore | laminazione |
| 4 | miscela fredda a bassa pressione | evaporazione |
Usando le entalpie specifiche h_1, h_2, h_3, h_4, il lavoro specifico del compressore è:
Il calore ceduto al condensatore è:
Il calore assorbito all’evaporatore è:
Quindi il COP ideale di riscaldamento del ciclo a compressione di vapore è:
Questa scrittura chiarisce il ruolo del compressore: non genera tutto il calore ceduto, ma aumenta pressione e temperatura del refrigerante così che il condensatore possa trasferire calore alla sorgente calda.
Perché il refrigerante evapora al freddo
Una domanda frequente è come possa il refrigerante assorbire calore da aria esterna fredda. La risposta è che evaporazione e condensazione non avvengono a temperature fisse: dipendono dalla pressione. Abbassando la pressione nell’evaporatore, la temperatura di evaporazione del refrigerante diventa inferiore alla temperatura della sorgente esterna.
Se l’aria esterna è a 5^\circ\mathrm{C}, il refrigerante può evaporare a una temperatura più bassa, per esempio sotto zero. In questo modo il calore fluisce spontaneamente dall’aria al refrigerante. Il compressore poi alza pressione e temperatura del vapore, rendendo possibile cedere calore all’impianto interno.
Perché può superare il 100%
Una resistenza elettrica converte quasi tutta l’energia elettrica in calore locale: il suo rapporto tra calore prodotto ed energia elettrica è circa 1. Una pompa di calore, invece, non “produce” solo calore dal lavoro elettrico: trasferisce calore già presente nell’ambiente esterno, nel terreno o nell’acqua. Per questo il COP può essere maggiore di 1.
Il limite ideale dipende dalle temperature delle sorgenti. Più piccola è la differenza tra temperatura calda e fredda, più favorevole è il ciclo. Quando fuori fa molto freddo e l’impianto richiede acqua molto calda, il COP diminuisce.
Il limite superiore ideale, per una pompa di calore reversibile tra due temperature assolute, è il COP di Carnot:
Le temperature devono essere in kelvin. La formula mostra il punto decisivo: il salto termico T_{calda} - T_{fredda} è il nemico della prestazione. Più la macchina deve sollevare il calore da una sorgente fredda a una temperatura di mandata alta, più lavoro serve.
Le macchine reali hanno COP inferiori al limite di Carnot per compressione non ideale, scambiatori finiti, perdite di carico, irreversibilità nella valvola di laminazione, ausiliari elettrici, cicli di sbrinamento e regolazione non perfetta.
Sorgenti e terminali
Le pompe di calore si classificano spesso in base alla sorgente fredda e al terminale caldo.
| Tipo | Sorgente fredda | Terminale caldo | Carattere |
|---|---|---|---|
| Aria-aria | aria esterna | aria interna | installazione semplice, risposta rapida |
| Aria-acqua | aria esterna | acqua impianto | comune per riscaldamento idronico e ACS |
| Acqua-acqua | acqua di falda o circuito idrico | acqua impianto | prestazioni stabili, vincoli autorizzativi e idraulici |
| Terra-acqua | terreno tramite sonde | acqua impianto | sorgente stabile, costo iniziale maggiore |
Una sorgente più stabile e meno fredda migliora il COP. Il terreno e l’acqua variano meno dell’aria esterna, ma richiedono impianti più complessi. L’aria è disponibile ovunque, ma in inverno può essere fredda e umida, con conseguente perdita di prestazione e necessità di sbrinamento.
Anche il terminale caldo conta. Pavimenti radianti e ventilconvettori a bassa temperatura richiedono acqua meno calda rispetto a radiatori tradizionali dimensionati per alte temperature. Ridurre la temperatura di mandata migliora sensibilmente il COP.
Compressore, inverter e modulazione
Il compressore è il cuore meccanico della pompa di calore. Può essere scroll, rotary, alternativo, vite o centrifugo, secondo taglia e applicazione. Nei sistemi moderni il compressore è spesso comandato da inverter, così può modulare la velocità invece di lavorare solo acceso/spento.
La modulazione porta diversi vantaggi:
- adatta la potenza al carico reale;
- riduce cicli di accensione e spegnimento;
- migliora comfort e stabilità della temperatura;
- può aumentare l’efficienza ai carichi parziali;
- permette strategie più fini di sbrinamento e protezione.
Non sempre, però, il carico parziale è automaticamente più efficiente. Esistono limiti di compressore, ventilatori, pompe, scambiatori e controllo. La prestazione reale dipende dall’intero sistema.
Valvola di espansione e controllo del surriscaldamento
La valvola di laminazione riduce la pressione del liquido in uscita dal condensatore. La trasformazione è fortemente irreversibile: non produce lavoro utile e crea una miscela fredda di liquido e vapore all’ingresso dell’evaporatore.
La valvola, spesso elettronica nei sistemi moderni, regola la portata di refrigerante per mantenere un corretto surriscaldamento all’uscita dell’evaporatore. Troppo poco surriscaldamento può mandare liquido al compressore, condizione pericolosa; troppo surriscaldamento riduce uso dello scambiatore e prestazione.
Il controllo deve quindi bilanciare portata, pressione di evaporazione, temperatura, carico termico e sicurezza del compressore.
Sbrinamento
Nei sistemi aria-aria o aria-acqua in riscaldamento, l’evaporatore esterno può scendere sotto la temperatura di rugiada e sotto zero. L’umidità dell’aria condensa e congela sulle alette, formando brina. La brina riduce passaggio d’aria e scambio termico.
Lo sbrinamento può avvenire invertendo temporaneamente il ciclo: la macchina prende calore dall’impianto interno e lo manda alla batteria esterna per sciogliere il ghiaccio. Durante questa fase il riscaldamento utile diminuisce o si interrompe, e il COP stagionale peggiora.
Una buona regolazione non sbrina a tempo fisso se non necessario: cerca di riconoscere la brina da temperature, pressioni, tempi di funzionamento, umidità stimata e decadimento delle prestazioni.
Prestazioni stagionali
Il COP istantaneo è misurato in un punto di lavoro. Per valutare una macchina in un edificio conta la prestazione su una stagione intera. Per questo si usano indici stagionali, come SCOP in riscaldamento e SEER in raffrescamento.
La prestazione stagionale include:
- variazione della temperatura esterna;
- carichi parziali;
- cicli di sbrinamento;
- consumi di ventilatori e pompe;
- regolazione;
- eventuali resistenze integrative;
- temperatura richiesta dall’impianto;
- comportamento reale dell’edificio.
Due pompe di calore con lo stesso COP nominale possono avere consumi annuali diversi se installate in edifici, climi e impianti differenti.
Limiti reali
Le prestazioni dipendono da compressore, scambiatori, fluido refrigerante, regolazione, sbrinamento e distribuzione interna. Nei sistemi aria-aria o aria-acqua, la formazione di brina sull’evaporatore esterno riduce lo scambio termico e richiede cicli di sbrinamento.
I limiti più importanti sono:
- COP basso con sorgente molto fredda e mandata molto calda;
- necessità di scambiatori dimensionati correttamente;
- degrado in presenza di brina;
- rumorosità e vibrazioni di unità esterne;
- compatibilità con impianti esistenti ad alta temperatura;
- scelta del refrigerante e gestione di sicurezza, pressione e impatto ambientale;
- corretta carica di refrigerante;
- manutenzione di filtri, ventilatori e scambiatori.
Una pompa di calore sovradimensionata può ciclare spesso e lavorare male; una sottodimensionata può richiedere integrazione elettrica o non coprire il carico nei giorni più freddi. Il dimensionamento deve considerare edificio, clima, terminali, acqua calda sanitaria e strategia di regolazione.
Sintesi operativa
La pompa di calore è una macchina di fisica tecnica applicata: sfrutta cambiamenti di fase, compressione, scambio termico e controllo per spostare calore in modo più efficiente di una conversione elettrica diretta.
Il suo principio è semplice ma potente: assorbire calore a bassa temperatura nell’evaporatore, alzare il livello termico tramite compressione, cedere calore nel condensatore e riportare il refrigerante a bassa pressione con una valvola di laminazione. La prestazione dipende soprattutto dal salto termico richiesto e dalla qualità del sistema reale: macchina, impianto, regolazione e sorgente devono essere progettati insieme.