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La temperatura e il calore
La pompa di calore, (il cui funzionamento è spiegato nello scorso articolo), è una macchina termica per trasferire il calore da un ambiente a temperatura più bassa (l’esterno) ad un altro a temperatura più alta (l’interno dei nostri edifici). Questa prima frase per l’uomo “comune” è sconcertante : “come si fa ad estrarre il calore dall’ esterno in un periodo in cui le temperature vanno sotto zero e potenzialmente può nevicare? ovvero, quando fuori fa veramente freddo?” …te lo spiego subito in questo articolo dedicato a i rendimenti della pompa di calore.
Bisogna spiegare che fin da bambini ci insegnano ad indentificare come sinonimi la temperatura e il calore. Ciò non è veritiero: il calore è energia. Esso, di per se, può essere concentrato e quindi potremo avere temperature più alte (come nel regime estivo), oppure può essere disperso e potremo avere temperature più basse (come avviene in regime invernale). L’alta temperatura indica quindi la presenza di calore concentrato. Considerato che fino agli inizi del ‘900 avevamo solo la tecnologia per produrre calore ad alta temperatura (con fuoco, stufe, camini e caldaie) è stato naturale per molti anni identificare le due parole come equivalenti.
E’ stato provato, che solamente in condizione di zero assoluto vi sia mancanza di energia, lo zero di cui stiamo parlando è quello della scala Kelvin (introdotta da William Thomson al secolo Lord Kelvin) corrispondente a -273,15 ° Celsius. Con le temperature che riscontriamo in inverno nei luoghi abitati abbiamo a disposizione ancora molto calore.
Il compito della pompa di calore è dal punto di vista energetico quello di prenderlo, trasportarlo all’interno e concentrarlo fino ad ottenere temperature necessarie a creare comfort termico all’interno degli edifici e delle abitazioni. La PDC per fare questo, però ha bisogno del lavoro effettuato dal compressore che si occupa di comprimere il fluido refrigerante, mezzo necessario per trasportare il calore. Il compressore e tutte le parti in movimento per essere “messe in moto” hanno bisogno di energia elettrica, per questo motivo sarebbe il generatore ideale da installare nel contesto di una casa senza gas (vedi di CSGT- Casa Senza Gas Toscana , la pagina dedicata agli impianti).
I rendimenti della Pompa di calore (COP -EER)
Il rapporto tra l’energia elettrica spesa per mettere in funzione la pompa di calore e l’energia termica che viene fornita per il riscaldamento è detto C.O.P cioè Coefficient Of Performance. Come vedete ho detto fornita, non trasportata o concentrata. In realtà l’energia fornita è frutto di due componenti, la parte più rilevante è quella gratuita e rinnovabile captata dall’ ambiente esterno, un’ altra parte più piccola è quella che deriva dal compressore a dalla macchina stessa. Non tutta l’energia elettrica viene convertita in lavoro ma quota parte viene convertita in calore dovuto all’attrito tra gli organi in movimento.
Fatte queste riflessioni si capisce subito che il C.O.P. (il rendimento invernale) delle pompe di calore è influenzato dalle temperature in gioco: quella esterna (definita sorgente fredda) e quella interna (definita pozzo caldo). Per il pozzo caldo dobbiamo fare una distinzione tra le pompe di calore aria/aria e aria/acqua. Nella prima la temperatura del pozzo è direttamente quella a cui dovremo portare l’aria dell’ambiente da riscaldare. Nella seconda (aria/acqua) la temperatura del pozzo caldo è quella di riferimento dei terminali di emissione per il riscaldamento.
Il COP delle pompe di calore sono testati a diverse temperature esterne in genere almeno a -7°C, 2°C e 7°C; per i pozzi caldi le temperature sono queste: per le aria/aria 20° C , per le aria/acqua considerano 35° C, 45°C e 55°C. Queste ultime sono le temperature di riferimento per pannelli radianti, ventil- convettori (fan-coil) e radiatori.
Se si tratta di una pompa di calore reversibile in estate il suo rendimento verrà espresso attraverso l’EER Energy Efficiency Ratio ed è il rapporto tra il calore sottratto all’ambiente confinato e il consumo elettrico del condizionatore/refrigeratore.
Per aumentare le rese devono assere ottimizzati gli scambiatori di calore. La superficie di scambio influsce sulla dimensione degli scambiatori e indirettamente anche sulle dimensioni delle unità estene che tendono a diventare più grandi (vedi articolo dedicato su CSGT)
Il salto termico
A questo punto analizziamo due casi: il primo è quello di una pompa di calore che si trova ad operare a -10°C esterni e deve portare l’acqua da fornire ai radiatori a 60° C. Il salto termico interno-esterno che deve produrre la macchina è di 70°. Il secondo è quello di una pompa di calore installata in un ambiente geografico a temperatura più mite: opera a 0° esterni e fornisce acqua a 35° C per dei pannelli radianti. Il salto termico nel secondo caso è di soli 35°. Penso che a questo punto tutti avrete capito che i rendimenti della pompa pompa di calore nelle due situazioni saranno diversi:
la prima pompa di calore “durerà più fatica” e in queste condizioni gravose avrà sicuramente dei COP bassi, invece la seconda, soggetta ad un lavoro meno gravoso, sarà in grado di svolgerlo con più facilità, con COP più alti e consumi più ridotti.
Nelle immagini sopra è sono riportati i grafici della PDC Kita 33L prodotta da Templari in cui si può apprezzare la variazione di potenza resa a COP in base alla temperatura esterna con temperature di mandata di 35°C.
La pompa di calore è uno dei componenti che costituiscono l’impianto termico insieme alla rete di distribuzione del calore, ai terminali di emissione del calore e al sistema di termoregolazione . Per evitare errori, del suo dimensionamento, assieme alle altre parti del sistema, dovrebbe essere incaricato un progettista esperto in campo energetico.
