Scaldarsi con qualcosa di più freddo...

Nella seconda parte di questo articolo abbiamo parlato del funzionamento del frigorifero, la pompa di calore sempre presente nelle nostre case. Ma quando usiamo il termine "Pompa di Calore" nessuno pensa al frigorifero. Tutti abbiamo in mente l'impianto che è meglio rappresentato nell'immagine di copertina: una specie di "cassonetto che racchiude un ventilatore" (posizionato a parete o a pavimento in un punto all'esterno dell'abitazione) collegato con due tubi ad un altro "cassonetto", dal design migliore perché posizionato all'interno degli ambienti abitati, che soffia aria calda o fredda a seconda se ci troviamo in inverno o in estate. Giusto?

Ebbene, questa Pompa di Calore funziona esattamente come il frigorifero, sfruttando la compressione e l'espansione di un gas speciale e facendolo passare attraverso due serpentine in cui cede o assorbe calore.

Vi dice niente lo schema sottostante?

Il rettangolo tratteggiato di sinistra (A) rappresenta il "cassonetto" posizionato all'esterno dell'abitazione. Viceversa quello di destra (B) rappresenta il "cassonetto" all'interno degli ambienti abitati. Se osservate bene si tratta dello stesso circuito chiuso che abbiamo spiegato con l'esempio del frigorifero. Il nostro gas speciale viene compresso dal compressore elettrico (1) e si surriscalda alla temperatura di 70-75°. Con questa temperatura percorre la serpentina (2), che si trova nel "cassonetto" interno. Dietro la serpentina c'è un ventilatore in funzione, che preleva l'aria dall'ambiente e la spinge contro la serpentina stessa, più calda. In questa maniera l'aria dell'ambiente si riscalda e invece il gas comincia a raffreddarsi raggiungendo una temperatura di 40-45°. A questo punto il nostro gas speciale raggiunge la valvola di espansione (3) e a seguito della stessa espansione si raffredda fino a raggiungere la temperatura di circa 5°. Con questa temperatura percorre la serpentina (4), che si trova nel "cassonetto" esterno. Dietro questa serpentina c'è un altro ventilatore in funzione che preleva l'aria all'esterno dell'abitazione a 10° e la spinge contro la serpentina stessa, più fredda. In questa maniera il gas speciale si riscalda ed esce dalla serpentina ad un valore di temperatura di circa 8°, con cui rientra nel compressore per iniziare un nuovo ciclo.

Abbiamo riscaldato l'aria più calda (20°) della nostra abitazione con l'aria esterna più fredda (10°)! Cioè abbiamo pompato energia termica da un ambiente più freddo ad un ambiente più caldo. Ecco spiegato il significato del termine "Pompa di calore".

Ma quello che abbiamo spiegato vale per la stagione invernale, quando dobbiamo "pompare" calore dall'esterno dell'abitazione verso l'interno. Cosa succede nella stagione estiva? Come fa la pompa di calore a "pompare" il calore dall'interno degli ambienti verso l'esterno? La risposta è facilmente intuibile: osserviamo lo schema successivo.

Abbiamo semplicemente invertito il senso del compressore e della valvola di espansione, in maniera da far circolare il gas in direzione contraria rispetto allo schema precedente. Ecco che la pompa di calore provvede a "pompare" calore dall'interno dell'abitazione (più freddo 26°), verso l'esterno dell'abitazione (più caldo 36°), consentendoci un benessere ottimale. Nella realtà questa inversione della circolazione del gas non la si ottiene con il ribaltamento del compressore e della valvola di espansione, ma con uno stratagemma (altri tubi e valvole deviatrici) che in questa sede non ha senso andare a spiegare. A noi importa il risultato finale, che è quello della reversibilità di funzionamento della pompa di calore. In inverno lo fa verso gli ambienti abitati e in estate verso l'ambiente esterno!

Cosa possiamo dedurre dal confronto dei 2 schemi di funzionamento (invernale ed estivo)?

Prima di tutto è doveroso fare una precisazione. Le temperature indicate per il gas speciale nel suo percorso ad anello, sia nello schema invernale che in quello estivo, sono indicative e corrispondono a determinate condizioni di temperatura dell'aria (sia all'interno che all'esterno dell'abitazione) che va a lambire le due serpentine a sinistra e a destra (unità esterna ed unità interna).

E' chiaro che al variare di queste condizioni, il compressore andrà a variare la forza di compressione (e di conseguenza il consumo elettrico!) per fare in modo che il gas subisca comunque un raffreddamento da una parte e un corrispondente riscaldamento dall'altra. Cerchiamo di spiegare meglio questo concetto. Torniamo, per esempio, allo schema di funzionamento invernale.

Che cosa succede in una giornata particolarmente fredda, quando l'aria esterna è a 0° anziché 10°? Se vogliamo che la pompa di calore svolga il suo compito, dobbiamo fare in modo che il gas, all'uscita della valvola di espansione, abbia sempre una temperatura inferiore a quella dell'aria esterna. E allora, ricordando che a una grande compressione corrisponde un grande surriscaldamento con un grande raffreddamento alla successiva espansione, dovremo far lavorare maggiormente il compressore con un conseguente aumento del consumo di energia elettrica.

Che cosa abbiamo imparato?

Che la Pompa di Calore può consumare più o meno energia elettrica, in base alla differenza di temperatura fra l'aria interna all'abitazione e l'aria esterna. Cioè, in poche parole, alle condizioni più o meno critiche con cui deve "pompare" calore dall'ambiente più freddo a quello più caldo!

CASO INVERNALE 1

Temperatura interna = 20°

Temperatura esterna = 10°

Differenza di temperatura = 20° - 10° = 10°

Compressione del gas = 70°-75°

Espansione del gas = 5°

Consumo elettrico inferiore

CASO INVERNALE 2

Temperatura interna = 20°

Temperatura esterna = 0°

Differenza di temperatura = 20° - 0° = 20°

Compressione del gas = 100-105°

Espansione del gas = -5°

Consumo elettrico maggiore

Nel caso invernale 2, oltre al maggior consumo elettrico, va tenuto presente che abbiamo un gas a -5° che percorre una serpentina lambita da aria a 0°. Riuscite ad immaginare cosa succede in poco tempo a quella serpentina? Esattamente quello che mostra l'immagine seguente:

Esatto! E' proprio quello che succede!

Si forma dapprima la brina... e poi il ghiaccio.

Quando il ghiaccio impedisce all'aria di lambire la serpentina, la pompa di calore entra in crisi. Pertanto, una pompa di calore come quella che abbiamo descritto fino a questo momento non è particolarmente adatta a climi rigidi, cioè con temperature invernali che vanno spesso sotto lo 0°.

Fortunatamente in questi casi la tecnologia ci offre la possibilità di scegliere altre tipologie di pompa di calore... ma di questo parleremo in un'altra occasione!

Fonte di alcune immagini: web

Schemi di funzionamento: Tekno Training