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 grandezza più importante non è il rendimento nel senso classico, ma il coefficiente di prestazione:
dove è il calore ceduto all’ambiente da riscaldare e è il lavoro assorbito dal compressore. Un pari a 4 significa che, per ogni unità di energia elettrica consumata, la macchina trasferisce quattro unità di energia termica verso l’ambiente caldo.
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.
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.
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.
La pompa di calore è quindi 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.