Le potenzialità delle pompe di calore: stato attuale e prospettive di sviluppo

In termodinamica si definisce macchina a ciclo inverso la macchina in grado di assorbire calore a bassa temperatura e di restituirlo ad un livello di temperatura superiore (fig. 1a). Nel caso più frequente della macchina a compressione di vapore, il cui schema funzionale è riportato in fig. 1b, il lavoro L viene fornito per la compressione del fluido operativo proveniente dall'evaporatore dove il cambiamento di fase liquido/vapore è avvenuto grazie al calore Q0 assorbito dalla sorgente a più bassa temperatura T0 (sorgente fredda). Il vapore compresso viene successivamente inviato al condensatore ove cedendo il calore Q1, pari a Q0+L come previsto dal principio di conservazione dell'energia, ritorna in fase liquida. Successivamente in una valvola di laminazione avviene un'espansione, senza scambio di lavoro e calore con l'esterno, in cui l'energia di pressione si degrada semplicemente in attrito. Tale espansione riporta il fluido quasi totalmente in fase liquida che può quindi ritornare all'evaporatore chiudendo così il ciclo.

La macchina che realizza il ciclo inverso può essere utilizzata per due scopi diversi. Se lo scopo è quello di sottrarre calore a bassa temperatura si parla di macchina frigorifera o refrigeratore. Se invece lo scopo è quello di rendere disponibile calore ad alta temperatura si parla di pompa di calore. La stessa macchina può essere usata a volte, ad esempio nel periodo estivo, come refrigeratore e altre volte, ad esempio in inverno, come pompa di calore. Parleremo allora di pompa di calore reversibile. In alcuni casi è infine possibile sfruttare simultaneamente sia l'effetto frigorifero che il calore prodotto, si tende allora a parlare di sistemi ad energia totale.
Normalmente lo scambio termico con l’esterno avviene in due scambiatori in cui la macchina scambia con fluidi esterni di solito aria o acqua. La pompa di calore viene quindi specificata indicando appunto tali fluidi con cui scambia direttamente riportando per primo il fluido usato come sorgente. Si ha così la pompa di calore aria-aria o aria-acqua, acqua-aria o acqua-acqua.
Per poter valutare le prestazioni delle macchine a ciclo inverso in entrambi i suoi impieghi occorre definire per le due diverse situazioni l'efficienza del ciclo. Per l'impiego frigorifero si introduce il coefficiente di effetto utile * (in inglese EER Energy Efficiency Ratio). Per l'impiego come pompa di calore si parla di coefficiente di prestazione abbreviato in COP (COP Coefficient of Performance). Tali efficienze si esprimono come:

Entrambi queste efficienze sono tanto maggiori quanto più alta è la temperatura T0 e minore la temperatura T1. Da qui la ricerca nel funzionamento frigorifero di fluidi esterni a bassa temperatura per ridurre la temperatura T1 al condensatore. Viceversa nel funzionamento a pompa di calore fra le sorgenti fredde disponibili si opta per quella a più alta temperatura al fine di avere di conseguenza una temperatura T0 all'evaporatore più elevata possibile.

Per la pompa di calore, le possibili sorgenti fredde sono:

1) l'aria esterna, sempre disponibile, ma non ottimale essendo la sua temperatura bassa proprio nella stagione di riscaldamento
2) l'acqua superficiale (fiumi, mare, laghi, laguna) o di falda quando disponibile, con livelli termici migliori e stabili nel tempo in grado quindi di dare ottime prestazioni (fig. 2).
3) il terreno, mediante l'uso di scambiatori geotermici orizzontali o con sonde verticali
4) l'energia solare anche con sistemi di captazione a bassa temperatura (tetti energetici) 
5) recupero termico da fluidi esausti caldi (ad esempio l'aria viziata espulsa dagli impianti di ventilazione).

La pompa di calore è il generatore termico che oggi sta vivendo il maggior sviluppo e incrementando la propria quota di mercato. Le ragioni tecniche, oltre l’indiscutibile migliore efficienza energetica se opportunamente installata, sono da una parte legate alla accresciuta domanda di raffrescamento estivo per il residenziale, che favorisce la sostituzione del generatore termico tradizionale con una macchina che assolve entrambi i compiti (riscaldamento e raffrescamento), dall’altra la diffusione di sistemi di riscaldamento idronici a bassa temperatura, che sono particolarmente adatti a tali tipi di generatori. . Le ragioni politico-economiche-ambientali sono legate all'attuazione del Protocollo di Kyoto tramite l’adozione della direttiva 20-20-20 Renewable Energy Directive [1] e la riedizione della direttiva sull’efficienza energetica degli edifici (Energy Performance Building Directive EPBD) [2]. Quest'ultima definisce quali fonti rinnovabili l’aria, le acque superficiali e il sottosuolo, cioè l’energia termica da essi estraibile di fatto esclusivamente con la pompa di calore. Il decreto applicativo di recepimento in Italia [3] di tale direttiva pone enfasi all’utilizzo delle fonti energetiche rinnovabili per coprire una quota rilevante della domanda energetica dell’edificio al fine di raggiungere la caratteristica di edificio a consumo quasi zero (near Zero Energy Building, nZEB), imponendo per tale obbiettivo una quota pari al 50% del fabbisogno coperta da fonte rinnovabile. Tutto ciò indica la pompa di calore quale tecnologia chiave per lo sfruttamento delle energie rinnovabili a costi accettabili e con elevate prestazioni energetiche, specialmente nel caso di interventi in situazioni caratterizzate da restrizioni di tutela monumentale o paesaggistica che impediscono l'uso delle rinnovabili più scontate quali il solare termico e il fotovoltaico.

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