La pompa di calore è una macchina termica che, utilizzando un gas refrigerante in un ciclo termodinamico chiuso, trasferisce calore dall’ambiente naturale, aria, acqua o terreno, ad un edificio o ad applicazioni industriali invertendo il flusso naturale di calore, in modo che scorre da una temperatura più bassa a una più alta.
Le pompe di calore reversibili possono trasferire calore da un edificio all’ambiente naturale. Successivamente, analizziamo i principi termodinamici da cui è regolata la pompa di calore:
Pompa di calore principio di equivalenza
Questo principio stabilisce il rapporto tra calore e lavoro. Cioè la trasformazione del lavoro in calore e viceversa.
L’equivalente meccanico del calore ha l’espressione: 1 joule = 0,24 calorie o 1 caloria = 4,186 joule.
- Primo principio della termodinamica
Stabilisce che l’energia non viene né creata né distrutta, solo trasformata. In altre parole, in una pompa di calore, l’energia elettrica consumata dal compressore, e fornita dal motore di azionamento, viene convertita in calore che viene trasmesso al refrigerante durante il processo di compressione, di conseguenza il calore ceduto all’hot spot (Q 2 ) sarà uguale al calore estratto dalla sorgente fredda (Q 1 ) più il calore associato al lavoro di compressione (W). Q2 = Q1 + W - Secondo principio della termodinamica
Il secondo principio della termodinamica stabilisce che la trasmissione di energia non è possibile senza l’esistenza di due fuochi a diverse temperature ed inoltre che è possibile produrre lavoro solo in queste condizioni, così come la direzione in cui avviene tale trasformazione.
Le unità a pompa di calore sono efficienti “trasportatori” di energia tra due fonti. Tuttavia, contrariamente a quanto avviene naturalmente, la trasmissione del calore avviene in “controcorrente”, poiché l’energia viene trasportata dalla sorgente fredda a quella calda.
Pertanto, in modalità riscaldamento, l’unità trasporta il calore dall’ambiente esterno (punto freddo) all’ambiente interno (punto caldo), ad esempio tra +10°C e -10°C e tra 17°C e 25°C. , rispettivamente. In modalità raffrescamento, se la pompa di calore è reversibile, il calore viene trasportato dall’ambiente interno a quello esterno, ad esempio tra 23°C e 29°C e tra 25°C e 40°C, rispettivamente.
Per poter eseguire questa operazione, è necessario avere un lavoro aggiuntivo. L’efficienza di un’apparecchiatura è il rapporto tra il calore ceduto all’hot spot e l’energia consumata per effettuare tale trasporto.
Principi termodinamici della pompa di calore
Come funziona una pompa di calore?
Il funzionamento della pompa di calore si basa sul processo di cambio di fase che avviene nel ciclo frigorifero.
Il processo, in modalità riscaldamento, consiste nell’estrarre calore da una fonte di energia rinnovabile (aerotermica, idrotermica o geotermica) attraverso l’evaporatore e trasferirlo ad una fonte ad alta temperatura attraverso il condensatore. In modalità raffreddamento, il ciclo è invertito, poiché il calore viene estratto dall’interno dell’armadio.
Componenti principali
Evaporatore: Scambiatore di calore in cui avviene il cambio di fase del refrigerante da liquido a vapore, assorbendo calore.
Compressore: Macchina che, utilizzando un lavoro esterno, comprime i fluidi comprimibili aumentandone la pressione.
Condensatore: Scambiatore di calore in cui avviene il cambio di fase del refrigerante da vapore a liquido, cedendo calore.
Valvola di espansione: Regolatore dell’ingresso del refrigerante liquido all’evaporatore dal condensatore.
Grazie a questo processo, queste unità sono in grado di fornire riscaldamento, raffrescamento e acqua calda sanitaria (ACS).
Le modalità operative
Modalità riscaldamento
Il ciclo frigorifero, in modalità riscaldamento, riesce ad estrarre calore dall’esterno e convogliarlo all’interno dell’edificio, in questo caso lo scambiatore posto all’interno funge da condensatore e lo scambiatore esterno funge da evaporatore.
Modalità riscaldamento pompa di calore
Modalità ACS
Il ciclo di refrigerazione è lo stesso della modalità riscaldamento, ma il calore viene inviato ad un bollitore invece che all’impianto di riscaldamento.
Modalità raffreddamento pompa di calore
Il ciclo frigorifero, in modalità refrigerazione, riesce ad estrarre calore dall’interno dell’edificio ed espellerlo all’esterno, in questo caso lo scambiatore posto all’interno funge da evaporatore e lo scambiatore esterno funge da condensatore.
Maggiori informazioni nel libro edito da AFEC “La Bomba de Calor. Fondamenti, tecnologia e casi pratici”.
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