Pompe di calore: sorgente fredda e pozzo caldo

Rubrica: Energia

Titolo o argomento: Mezzi dai quale viene assorbito o al quale viene ceduto calore
Questo articolo segue dai precedenti indicati di seguito:
Che cos’è una pompa di calore?
Efficienza di una pompa di calore

Sorgente fredda

Il mezzo esterno da cui si estrae calore viene solitamente chiamato sorgente fredda (taluni lo chiamano pozzo freddo). Nella pompa di calore il fluido frigorigeno assorbe calore dalla sorgente fredda tramite l’evaporatore. Le principali sorgenti fredde sono l’aria, l’acqua e la terra. La prima può essere prelevata all’esterno dell’edificio nel quale è installata la pompa di calore oppure può essere prelevata all’interno del locale dove è installata la pompa stessa (locale tecnico), la seconda può provenire da una falda, un fiume o un lago, qualora questi si trovino nelle immediate vicinanze di una zona abitativa (l’acqua viene prelevata ad una ridotta profondità), oppure da un serbatoio riscaldato dalla radiazione solare. Infine l’ultima opzione, la terra, comporta l’inserimento di tubazioni a serpentina collegate all’evaporatore. In quest’ultimo caso è necessaria una superficie (giardino, terra agricola, ecc.), su cui poggiare le tubazioni a circa 1,5 metri sotto il terreno, di dimensioni pari ad almeno 3 volte la superficie dell’abitazione da riscaldare o raffrescare.

Il pozzo caldo

Se l’aria, l’acqua o il terreno esterni ad un’abitazione sono detti sorgente fredda, l’aria o l’acqua da riscaldare, ad esempio all’interno dell’abitazione in questione, sono detti pozzo caldo. Nel condensatore il fluido frigorigeno cede al pozzo caldo sia il calore prelevato dalla sorgente fredda che l’energia fornita dal compressore. La cessione di calore può avvenire tramite ventilconvettori (costituiti da armadietti nei quali l’aria viene fatta circolare sopra corpi scaldanti), serpentine (inserite nel pavimento, nelle quali circola acqua calda), canalizzazioni (le quali trasferiscono direttamente il calore prodotto dalla pompa di calore ai diversi locali).

Sorgente fredda ad aria

Installazione relativamente semplice.
Rumorosità per elevate quantità di aria da trattare.
Cali critici di rendimento sotto i 5-6 °C.

Pompa di calore con sorgente fredda ad aria

Sorgente fredda ad acqua di superficie

Installazione relativamente semplice.
Ridotta rumorosità.
Cali critici di rendimento sotto i 5-6 °C.
Possibili problemi di ghiacciamento.

Pompa di calore con sorgente fredda ad acqua di superficie

Sorgente fredda ad acqua di falda

Ridotta rumorosità.
Temperatura della sorgente fredda più costante.
Necessità di richiesta permessi.

Pompa di calore con sorgente fredda ad acqua di falda Pompa di calore con sorgente fredda ad acqua di falda

Sorgente fredda a collettori orizzontali

Temperatura della sorgente fredda più costante.
Costo elevato di installazione.
Necessità di ampi spazi.

Pompa di calore con sorgente fredda a collettori orizzontali Pompa di calore con sorgente fredda a collettori orizzontali

Sorgente fredda a sonde geotermiche

Temperatura della sorgente costante.
Sfruttamento del calore geotermico.
Costo elevato di installazione.

Pompe di calore con sorgente fredda a sonde geotermiche Pompe di calore con sorgente fredda a sonde geotermiche

Fonte principale: ENEA
Fonte di approfondimento: appunti universitari
Rielaborazione dati e approfondimenti a cura di ralph-dte.eu

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Che cos’è una pompa di calore?

Rubrica: Energia

Titolo o argomento: Prelevare calore per trasportarlo dove occorre

La pompa di calore è una macchina a fluido capace di trasferire (pompare) calore sottraendolo da un ambiente a temperatura più bassa (sorgente fredda) per cederlo ad un altro a temperatura più alta (pozzo caldo). Il principio con il quale essa opera è il medesimo del frigorifero e del condizionatore d’aria. L’anima della pompa di calore consiste in un circuito chiuso (composto da quattro organi principali che vedremo tra poco) entro il quale evolve un fluido detto frigorigeno. Detto fluido, a seconda delle condizioni di temperatura e pressione alle quali si trova, assume lo stato di vapore (che per essere raggiunto richiede l’assorbimento di calore dall’ambiente a temperatura più bassa) o di liquido (che per essere riottenuto implica di cedere calore all’ambiente a temperatura più alta). Affinché le condizioni di pressione e temperatura del fluido mutino come previsto esso viene ciclicamente compresso ed espanso secondo un ciclo che vedremo nel dettaglio di seguito.

Gli organi che compongono il circuito chiuso sono un compressore, un condensatore, una valvola di espansione ed un evaporatore. Il condensatore e l’evaporatore sono costituiti da scambiatori di calore, ovvero tubi posti a contatto con un fluido di servizio (acqua o aria) nei quali scorre il fluido frigorigeno. Questo sottrae calore all’evaporatore e lo cede al condensatore. I componenti del circuito possono essere sia raggruppati in un unico blocco, sia divisi in due parti (sistemi “SPLIT”) raccordate dai tubi opportunamente isolati nei quali circola il fluido frigorigeno. Le trasformazioni che subisce il fluido frigorigeno all’interno del circuito, al fine di prelevare calore dalla sorgente fredda per trasferirlo al pozzo caldo, sono le seguenti:

Evaporazione

Mediante un evaporatore (scambiatore di calore) il fluido frigorigeno assorbe calore dall’ambiente esterno (sorgente fredda) ed evapora completamente. L’ambiente esterno può essere la terra, l’aria o l’acqua. Vedi pressioni e temperature in gioco sullo schema riportato in basso, cliccandovi sopra si avvia una interessante animazione.

Compressione

Il fluido frigorigeno proveniente dall’evaporatore si trova allo stato gassoso in condizioni di bassa pressione. Tramite il compressore il fluido viene portato ad alta pressione, l’energia termica per unità di volume aumenta e di conseguenza la temperatura del fluido stesso aumenta. Vedi pressioni e temperature in gioco sullo schema riportato in basso, cliccandovi sopra si avvia una interessante animazione.

Condensazione

Il fluido frigorigeno proveniente dal compressore, in condizioni di alta pressione e temperatura, passa dallo stato gassoso a quello liquido cedendo calore all’esterno. Vedi pressioni e temperature in gioco sullo schema riportato in basso, cliccandovi sopra si avvia una interessante animazione.

Espansione

Attraverso la valvola di espansione il fluido frigorigeno liquido si trasforma parzialmente in vapore e si raffredda. Il ciclo è pronto per ricominciare. Vedi pressioni e temperature in gioco sullo schema riportato in basso, cliccandovi sopra si avvia una interessante animazione.

L’insieme di queste trasformazioni costituisce il ciclo della pompa di calore. L’energia per il compimento del ciclo viene fornita dal compressore (il quale a sua volta è alimentato dalla rete elettrica convenzionale o da un impianto fotovoltaico o da un sistema di accumulo dell’energia, ecc.) al fluido frigorigeno il quale, all’interno dell’evaporatore, assorbe calore dal mezzo circostante e, tramite il condensatore, lo cede al mezzo da riscaldare. Cliccando sull’immagine viene avviata una interessante animazione comprensiva di didascalie.

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Fonte principale: ENEA
Rielaborazione dati e approfondimenti a cura di ralph-dte.eu

Pompa di calore

Ciclo di funzionamento della pompa di calore. Cliccando sull’immagine è possibile avviare
l’animazione del ciclo completa di didascalie interattive.
Animation’s copyright: Glen Dimplex Deutschland