Pompe di calore e pompe di calore reversibili: funzionamento e differenze

Nell’ambito della climatizzazione degli ambienti i sistemi in pompa di calore sono sempre più diffusi nelle case degli italiani. L’innovativo utilizzo di fonti energetiche rinnovabili ed ottime performance rendono, infatti, questa tecnologia impiantistica particolarmente adatta all’efficientamento energetico del nostro parco immobiliare.

In questo articolo ripercorriamo le principali caratteristiche di questa soluzione impiantistica, approfondendo vantaggi e differenze tra le diverse tecnologie presenti.

Tecnologia e funzionalità dei sistemi in pompa di calore

La pompa di calore è una macchina ciclica in grado di trasferire energia, sotto forma di calore, da una sorgente termica a bassa temperatura (pozzo freddo) ad una sorgente termica a temperatura più elevata (pozzo caldo) attraverso la somministrazione di lavoro meccanico esterno. Grazie ad esso si rende disponibile una quantità di energia termica che viene assorbita dall’esterno a bassa temperatura e, attraverso quello che viene chiamato ciclo di Carnot inverso, utilizzata per riscaldare l’ambiente interno.

ll ciclo inverso, definito così perché viene eseguito non con la produzione, ma con la necessaria somministrazione di lavoro dall’esterno, viene realizzato collegando tra loro, in un circuito chiuso lungo il quale circola il fluido di lavoro, quattro elementi fondamentali legati dal funzionamento di seguito riportato:

• Un compressore
• Un condensatore
• Una valvola di espansione
• Un evaporatore

Il funzionamento tipico di una Pompa di Calore si articola nelle seguenti 4 fasi:

• compressione, comprime il fluido intermedio innalzandone la temperatura;
• condensazione, consente al fluido intermedio (che passa da vapore a liquido) di cedere calore al fluido caldo;
• laminazione, fa espandere il fluido intermedio abbassandone la temperatura;
• evaporazione, consente al fluido intermedio (che passa da liquido a vapore) di assorbire calore dal fluido caldo.

In modalità macchina frigorifera (funzionamento estivo) la sorgente termica a bassa temperatura è l’ambiente interno, mentre l’esterno funge da pozzo caldo.

Nella modalità pompa di calore (funzionamento invernale) la sorgente termica a bassa temperatura è al di fuori dell’edificio (aria, acqua, suolo), mentre il pozzo caldo può essere l’aria dell’ambiente da climatizzare, l’acqua calda sanitaria oppure il fluido termovettore che alimenta i terminali.

Il principio di funzionamento è quindi lo stesso, cambia la finalità: la prima ha lo scopo di raffrescare, ossia sottrarre calore alla zona a temperatura inferiore smaltendolo poi in quella avente temperatura superiore; la seconda deve invece riscaldare, fornire calore alla zona a temperatura superiore sottraendolo a quella a temperatura inferiore.

Entrambi i processi avvengono mediante un particolare fluido refrigerante, il cui cambiamento di stato comporta l’acquisizione o la cessione di calore. È fondamentale sottolineare che il fluido refrigerante debba possedere la proprietà di condensare anche a temperature ambiente e pressioni relativamente basse.

Nello specifico, le sue caratteristiche devono essere le seguenti:

• Temperatura critica elevata sensibilmente maggiore della temperatura di condensazione che si verifica nel ciclo;
• Bassa temperatura di solidificazione per non solidificare durante il regolare funzionamento;
• Calore di evaporazione molto alto, in modo da realizzare un elevato effetto frigorifero;
• Composizione chimica stabile;
• Assenza di caratteristiche tossiche o infiammabili.

Pompe di calore reversibili

Il funzionamento della macchina frigorifera/pompa di calore si basa quindi sul passaggio di fase di un fluido refrigerante all’interno di un ciclo di Carnot che può essere invertibile. L’inversione del ciclo permette il duplice funzionamento del sistema, pompa di calore in inverno (riscaldamento) e macchina frigorifera in estate (raffrescamento).

In questo caso si parla di pompe di calore “reversibili”, ovvero la stessa macchina è in grado di produrre sia caldo che freddo nello stesso ambiente. L’inversione di circolazione del fluido refrigerante è affidata principalmente ad una valvola a quattro vie e una valvola di espansione.

La valvola di inversione del ciclo è in grado di scambiare tra loro le funzioni dell’evaporatore e del condensatore andando così a riscaldare d’inverno e a raffrescare d’estate. La valvola viene impiegata anche per il defrost delle pompe di calore ad aria, ovvero per la momentanea inversione di ciclo della macchina al fine di pulire da ghiaccio o condensa ghiacciata lo scambiatore evaporatore esterno, in cui il refrigerante è mantenuto a una temperatura sempre minore dell’aria esterna, al fine di consentirgli di ripristinare le normali funzionalità.

In alcuni casi si può parlare inoltre di “raffreddamento diretto”, realizzabile con sorgenti esterne (geotermiche o acqua di superficie) che, in regime estivo, si trovano a temperature relativamente basse.

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Nel pdf sono descritte le diverse soluzioni impiantistiche per le pompe di calore, ossia aria-aria, aria-acqua, acqua-acqua e geotermiche, oltre all'analisi dei pro e contro nell'uso di pompe di calore reversibili.