Funzionamento e tipi di pompa di calore? Progettazione

Tipologie di funzionamento

In prima battuta, le pompe di calore si differenziano in base al principio di funzionamento:

1. a compressione di gas con motore elettrico: si tratta dei sistemi più diffusi nelle nostre case. Sfruttano un compressore per comprimere un gas. Vedremo successivamente il funzionamento.
2. ad assorbimento: non è presente la fase di compressione. Avviene una "trasformazione" chimica tra una coppia di fluidi frigorigeni, un solvente e un soluto. Sono adatti per condizionare l’aria di locali di grandi dimensioni come ristoranti, fabbriche e centri commerciali;
3. endotermiche: sono macchine alimentate da gas metano o GPL.

In questo articolo ci focalizzeremo sul primo caso.

Tipologie in base alla sorgente / pozzo caldo

Le pompe di calore possono essere categorizzate anche in base alla sorgente fredda / pozzo caldo.

La "sorgente fredda" non è altro che il mezzo esterno da cui la pompa di calore estrae calore.

Le principali sorgenti fredde sono:

• Aria esterna;
• Acqua di falda, di fiume o di lago sfruttabile qualora abitassi in prossimità di tali corpi idrici. Potresti utilizzare anche acqua accumulata in serbatoi;
• Terreno nel quale vengono inserite delle apposite tubazioni (sonde) per lo scambio termico (sistema geotermico).

Mentre, l’aria o l’acqua da riscaldare per trasferire il calore all'interno sono detti “pozzo caldo”.

Difatti, la pompa di calore cede al pozzo caldo sia il calore prelevato dalla sorgente fredda che l’energia fornita per far funzionare la macchina. Ad esempio, nel caso degli split tipici dei nostri "condizionatori", il pozzo caldo è l'aria interna che riscaldiamo o raffresciamo, mentre nel caso del riscaldamento a pavimento riscaldiamo / raffreschiamo l'acqua che passa nelle serpentine.

Quindi, combinando pozzo caldo e sorgente possiamo avere pompe di calore:

• aria – aria. Le più diffuse. I tipici condizionatori domestici a split sono pompe di calore aria-aria. Questa tipologia di pompa di calore sottrae calore dall’aria esterna e lo restituisce agli interni mediante unità tipo monosplit o multispli sotto forma di aria. Per l'uso invernale sono "convenienti" nei climi abbastanza miti dove non vi sia eccessivo sbalzo di temperatura. Difatti, l'efficienza di una pompa di calore è migliore qualora la differenza di temperatura tra interno ed esterno fosse bassa.
• aria – acqua. La pompa sottrae calore dall’aria esterna (a bassa temperatura) per incanarlo all’interno dell’abitazione riscaldando l’acqua utile, ad esempio, per i pannelli radianti. A loro volta, possono essere monoblocco o splittate.
• Analogo funzionamento per le pompe di calore ad acqua (acqua-aria o acqua-acqua), a differenza che la risorsa da cui prelevano calore è di tipo idrico e cioè ricavata da fiumi, laghi, mare o bacini artificiali. Rispetto agli apparecchi ad aria, hanno il vantaggio di alimentarsi ad una fonte, l’acqua, che mantiene più stabili le temperature. Ne consegue che le pompe di calore presentano migliori prestazioni. Anche queste pompe possono riscaldare gli ambienti attraverso l’aria calda prodotta, oppure riscaldare l’acqua dei diversi terminali presenti in casa.
• terreno-acqua;

On off o modulanti

Le pompe di calore possono essere: on-off o modulanti.

Nel primo caso, una volta raggiunta la temperatura interna desiderata, la pompa di calore si spegne, per poi riaccendersi al massimo della potenza quando la temperatura interna scende di qualche grado.

Nel caso di pompa modulante (a gradini o con inverter), una volta raggiunta la temperatura interna desiderata, la macchina rilascia energia sfruttando potenze inferiori della massima, in maniera tale da mantenere la temperatura attorno al set-point impostato.

Un macchina modulante, oltre a garantire un risparmio, ha una durata maggiore. Difatti, il ciclo vita di una pompa di calore dipende dal numero di volte che una macchina si spegne e si riaccende.

Per "simulare" una modulazione di una pompa di calore on-off, è sufficiente aggiungere un puffer.  Difatti, per prevenire l’intermittenza si può aggiungere un serbatoio inerziale (al posto del compensatore idraulico) in modo da garantire un numero limitato di avviamenti.

Unità interne

Con pozzo caldo aria, le unità interne più diffuse sono:

• a parete: split;
• a cassetta nella versione installabile a soffitto o a pavimento;
• a canalizzazione che trasferiscono direttamente il calore prodotto dalla pompa di calore ai diversi locali mediante aria in circolazione forzata.

Con pozzo caldo acqua, le unità interne più diffuse sono:

• Ventilconvettori o fancoil: armadietti che contengono delle tubazioni nelle quali circola l’acqua riscaldata dalla pompa di calore (tubazioni che fungono da serpentina). Lo scambio tra la serpentina riscaldata e l’aria ambiente avviene tramite un ventilatore. Sono più rumorosi dei pannelli radianti e provocano consumi elettrici dovuti al ventilatore. Possono produrre il freddo;
• pannelli radianti: serpentine inserite all'interno del pavimento / soffitto o parete, nelle quali circola l’acqua riscaldata / raffrescata dalla pompa di calore;
• radiatori: poco compatibili con le pompe di calore. Non utilizzabili in raffrescamento;
• canalizzazioni.

Come funziona una pompa di calore?

Vediamo il funzionamento di una pompa di calore aria aria in inverno (per il funzionamento estivo sarà sufficiente invertire il ciclo e quindi ciò che ti segnalo di seguito).

All'interno del compressore (di tipo scroll il più utilizzato), il fluido (gas refrigerante R32, R290 ecc.) aumenta di pressione e temperatura. Il sistema deve aumentare la temperatura per poter cedere calore all'interno. Per far ciò, al compressore devo fornire una potenza dall'esterno, detta potenza consumata PI, tramite l'elettricità che prelevo dal contatore.

Il fluido così riscaldato attraversa uno scambiatore di calore interno allo split, detto condensatore. È in questa fase che il fluido cede calore al pozzo caldo (nel nostro caso, l'aria di casa) e apporta una potenza fornita PH all'ambiente interno.

Nel condensatore, il fluido refrigerante passa dallo stato vapore a quello liquido.

Il fluido liquefatto e raffreddato attraversa una valvola di espansione (o di laminazione) da cui ne esce ad una pressione e temperatura molto più bassa.

A questo punto il fluido che si trova a temperature molto basse è in grado di assorbire il calore dalla sorgente fredda (nel nostro esempio l'aria esterna). Ciò avviene nell’evaporatore, dove il fluido, assorbendo calore, passa dallo stato liquido a quello vapore.

A questo punto il fluido è pronto a ricominciare il ciclo passando nel compressore.

Efficienza di una pompa di calore

Il rapporto tra potenza fornita PH/ potenza consumata PI è l'efficienza COP. Maggiore è il COP e maggiore sarà l'efficienza.

Come vedi, il rendimento COP dipende dalla potenza consumata. Ovviamente, più è alta la temperatura esterna in inverno e minore potenza dal "contatore elettrico" viene consumata, maggiore sara l'efficienza. Proprio per questo motivo esistono differenti COP in base alla temperatura esterna e alla temperatura interna richiesta.

Sfruttare come sorgente l'aria esterna significa sottostare alle notevoli variazioni della temperatura esterna. Proprio per questo motivo occorre progettare considerando diverse condizioni esterne ed interne e punti di lavoro. Tali fluttuazioni sono meno rilevanti nel caso di sorgente acqua la quale mantiene temperature più costanti. 

Oltre alle temperature della sorgente fredda e del pozzo caldo, il COP dipende dal fattore di carico CR, dato dal rapporto tra potenza richiesta e potenza erogata.

CR= Pcr/P

Fattore di carico pari a 1 quando la pompa funziona alla potenza massima, fattore di carico pari a 0 quando la pompa è spenta. Ai carichi parziali (tra 0 e 1) sono necessari avviamenti, che richiedono energia solo per rimettere in pressione i circuiti. Se ne tiene conto tramite un fattore moltiplicativo del COP in funzione del fattore di carico CR.

Vediamo l'esempio in figura. Macchina monostadio nelle condizioni A7/W35 gode di un COP = 4,5 e di una potenza utile massima 7 kW. Se il sistema gli chiedesse solo 2,1 kW, il fattore di carico macchina varrebbe 2,1/7,0 = 0,30. Il COP deve essere moltiplicato per un f_COPpari a 0,8.

Per una macchina modulante la riduzione di potenza utile produce una riduzione dei salti termici su evaporatore e condensatore per cui il COP può aumentare in quanto la macchina percepisce un salto termico inferiore. A potenze molto basse decade nuovamente l’efficienza o si va in ON-OFF.

Se il produttore non ti fornisse i coefficienti correttivi potresti sfruttare il metodo del clima di riferimento UNI TS 11300 4.

In commercio, esistono diversi sistemi che sfruttano tale ciclo: VRF, pompe di calore, Chiller, HVAC.

Temperature di progetto

• Temperatura di annullamento del carico: Temperatura impostata di set point dell'ambiente interno. Appena si raggiunge tale temperatura la pompa di calore smette di funzionare;
• Temperatura Cut off minima: qualora venisse raggiunte tale temperatura minima, la pompa di calore si arresta e nel caso di sistema ibrido passa l’onere di generazione calore a quest'ultimo (ha senso inserirla nel software solo se presente un generatore ausiliario). Può coincidere con la temperatura operativa limite fornita dal produttore;
• Temperatura Cut off massima: temperatura massima che, se raggiunta, impone lo spegnimento della pompa di calore;
• Temperatura bivalente: è la temperatura in corrispondenza della quale il carico della pompa di calore ha raggiunto il valore 1 (fattore di carico =1) e quindi fornisce la massima potenza possibile. Sotto questa temperatura, occorre aggiungere una caldaia o una resistenza elettrica;

Spero che l'articolo ti sia stato utile, a presto, Vincenzo.