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Tecnologia della pompa di calore

Il calore fluisce naturalmente da una temperatura più alta a una più bassa. Le pompe di calore, tuttavia, sono in grado di forzare il flusso di calore nella direzione opposta, utilizzando una quantità relativamente piccola di energia motrice di alta qualità (elettricità, carburante o calore di scarto ad alta temperatura). Le pompe di calore possono quindi trasferire il calore da fonti di calore naturali nell'ambiente circostante, come l'aria, il suolo o l'acqua, o da fonti di calore create dall'uomo, come i rifiuti industriali o domestici, a un edificio o a un'applicazione industriale. Le pompe di calore possono essere utilizzate anche per il raffreddamento. Il calore viene quindi trasferito nella direzione opposta, dall'applicazione raffreddata all'ambiente circostante a una temperatura più elevata. A volte il calore in eccesso del raffreddamento viene utilizzato per soddisfare una richiesta di calore simultanea.

Per trasportare il calore da una fonte di calore a un dissipatore, è necessaria un'energia esterna per azionare la pompa di calore. In teoria, il calore totale fornito dalla pompa di calore è pari al calore estratto dalla fonte di calore, più la quantità di energia di azionamento fornita. Le pompe di calore elettriche per il riscaldamento degli edifici forniscono in genere 100 kWh di calore con soli 20-40 kWh di elettricità. Molte pompe di calore industriali possono raggiungere prestazioni ancora più elevate e fornire la stessa quantità di calore con soli 3-10 kWh di elettricità.

Poiché le pompe di calore consumano meno energia primaria rispetto ai sistemi di riscaldamento convenzionali, sono una tecnologia importante per ridurre le emissioni di gas dannosi per l'ambiente, come l'anidride carbonica (CO2), l'anidride solforosa (SO2) e gli ossidi di azoto (NOx). Tuttavia, l'impatto ambientale complessivo delle pompe di calore elettriche dipende in larga misura dal modo in cui viene prodotta l'elettricità. Le pompe di calore alimentate da energia elettrica proveniente, ad esempio, da fonti idroelettriche o rinnovabili riducono le emissioni in modo più significativo rispetto a quelle generate da centrali elettriche a carbone, petrolio o gas.

I due principali tipi di pompa di calore
Quasi tutte le pompe di calore attualmente in funzione si basano su un ciclo a compressione di vapore o su un ciclo ad assorbimento. Questi due principi saranno brevemente discussi nelle due sezioni seguenti.

In teoria, il pompaggio di calore può essere ottenuto con molti altri cicli e processi termodinamici. Tra questi vi sono i cicli Stirling e Vuilleumier, i cicli monofase (ad esempio con aria, CO2 o gas nobili), i sistemi di assorbimento solido-vapore, i sistemi ibridi (in particolare che combinano il ciclo di compressione del vapore e quello di assorbimento) e i processi elettromagnetici e acustici. Alcuni di questi stanno entrando nel mercato o hanno raggiunto la maturità tecnica e potrebbero diventare importanti in futuro.

Compressione del vapore
La maggior parte delle pompe di calore funziona secondo il principio del ciclo a compressione di vapore. I componenti principali di un sistema a pompa di calore di questo tipo sono il compressore, la valvola di espansione e due scambiatori di calore denominati evaporatore e condensatore. I componenti sono collegati tra loro in modo da formare un circuito chiuso, come mostrato nella Figura 1. Un liquido volatile, noto come fluido di lavoro o refrigerante, circola attraverso i quattro componenti.

Nell'evaporatore la temperatura del fluido di lavoro liquido viene mantenuta inferiore alla temperatura della fonte di calore, facendo fluire il calore dalla fonte di calore al liquido e facendo evaporare il fluido di lavoro. Il vapore proveniente dall'evaporatore viene compresso a una pressione e a una temperatura più elevate. Il vapore caldo entra quindi nel condensatore, dove si condensa e cede calore utile. Infine, il fluido di lavoro ad alta pressione viene espanso alla pressione e alla temperatura dell'evaporatore nella valvola di espansione. Il fluido di lavoro viene riportato al suo stato originale ed entra nuovamente nell'evaporatore. Il compressore è solitamente azionato da un motore elettrico e talvolta da un motore a combustione.

Un motore elettrico aziona il compressore (vedi Figura 1) con perdite energetiche molto ridotte. L'efficienza energetica complessiva della pompa di calore dipende fortemente dall'efficienza con cui viene generata l'elettricità. Questo aspetto è trattato nella sezione sulle prestazioni della pompa di calore. ›››
Quando il compressore è azionato da un motore a gas o diesel (vedere Figura 2), oltre al calore del condensatore viene utilizzato il calore dell'acqua di raffreddamento e dei gas di scarico.
Le pompe di calore industriali a compressione di vapore spesso utilizzano il fluido di processo stesso come fluido di lavoro in un ciclo aperto. Queste pompe di calore sono generalmente denominate ricompressori meccanici di vapore o MVR; si veda la sezione Pompe di calore nell'industria. ›››

Figura 1: Pompa di calore a compressione di vapore a ciclo chiuso, con motore elettrico

Figure 1: Closed cycle, electric-motor-driven vapour compression heat pump

Figura 2: Pompa di calore a ciclo chiuso, azionata da un motore a compressione di vapore.

Figure 2: Closed cycle, engine-driven compression heat pump

Figura 3: Pompa di calore ad assorbimento

Figure 3: Absorption heat pump

Assorbimento
Le pompe di calore ad assorbimento sono azionate termicamente, il che significa che per azionare il ciclo viene fornito calore anziché energia meccanica. Le pompe di calore ad assorbimento per il condizionamento degli ambienti sono spesso alimentate a gas, mentre gli impianti industriali sono solitamente alimentati da vapore ad alta pressione o da calore di scarto.

I sistemi ad assorbimento sfruttano la capacità di liquidi o sali di assorbire il vapore del fluido di lavoro. Le coppie di lavoro più comuni per i sistemi ad assorbimento sono:

acqua (fluido di lavoro) e bromuro di litio (assorbente); e
ammoniaca (fluido di lavoro) e acqua (assorbente).

Nei sistemi ad assorbimento, la compressione del fluido di lavoro è ottenuta termicamente in un circuito di soluzione che consiste in un assorbitore, una pompa di soluzione, un generatore e una valvola di espansione come mostrato nella Figura 3. Il vapore a bassa pressione proveniente dall'evaporatore viene assorbito dall'assorbitore. Questo processo genera calore. La soluzione viene pompata ad alta pressione e quindi entra nel generatore, dove il fluido di lavoro viene fatto bollire con una fonte di calore esterna ad alta temperatura. Il fluido di lavoro (vapore) viene condensato nel condensatore, mentre l'assorbente viene restituito all'assorbitore attraverso la valvola di espansione.

Il calore viene estratto dalla fonte di calore nell'evaporatore. Il calore utile viene ceduto a media temperatura nel condensatore e nell'assorbitore. Nel generatore viene fornito calore ad alta temperatura per far funzionare il processo. Una piccola quantità di elettricità può essere necessaria per far funzionare la pompa della soluzione.

Per i trasformatori di calore, che attraverso gli stessi processi di assorbimento possono valorizzare il calore di scarto senza richiedere una fonte di calore esterna, si rimanda alla sezione sulle pompe di calore nell'industria.