L'anti-frigorifero: Come funziona una pompa di calore?
Introduzione: La star della tecnologia di riscaldamento
Le pompe di calore compaiono sempre più spesso sui media negli ultimi anni e sono particolarmente interessanti per i proprietari di casa. Le pompe di calore moderne sono efficienti, silenziose e soprattutto sostenibili.
Numeri significativi
- Oltre il 70% di tutti i nuovi progetti edilizi in Germania (2023) prevedono una pompa di calore come fonte di riscaldamento primaria
- Il fatturato mondiale raggiungerà presumibilmente 70 miliardi di dollari nel 2024
- Il principio di funzionamento fu scoperto già nel XVII secolo
- Il primo riscaldamento a pavimento con pompa di calore fu installato nel 1968
Perché questo boom?
I fattori trainanti per le pompe di calore sono:
- Alti prezzi dell'energia per i combustibili fossili
- Crescente consapevolezza ambientale
- Progresso tecnologico
- La combinazione con l'energia solare permette un riscaldamento a zero emissioni di CO2
Pompa di calore e frigorifero: Parenti stretti
Le pompe di calore e i frigoriferi sono in realtà parenti stretti – quasi come fratelli. Perché questi apparecchi si assomigliano così tanto, nonostante siano stati sviluppati per compiti completamente opposti?
A prima vista, entrambi gli apparecchi sembrano svolgere compiti opposti – ma uno sguardo sotto il cofano rivela somiglianze sorprendenti:
| Apparecchio | Assorbe calore da | Cede calore a |
|---|---|---|
| Frigorifero | Interno | Ambiente (retro) |
| Pompa di calore | Ambiente | Interno (riscaldamento) |
Il principio di funzionamento è identico – solo l'obiettivo è invertito!
Fondamenti fisici
Per comprendere le pompe di calore, dobbiamo prima chiarire due concetti:
- Stati di aggregazione
- Trasferimento di calore
La fisica degli stati di aggregazione
Solido, liquido e gassoso – questi tre stati di aggregazione sono onnipresenti. Ma cos'è esattamente uno stato di aggregazione?
Definizione: Lo stato attuale o la forma di apparizione della materia, determinata dal movimento delle particelle.
Legge fondamentale della natura: All'aumentare della temperatura, le particelle si muovono più velocemente e con maggiore intensità.
Le proprietà dei tre stati di aggregazione differiscono in modo sostanziale:
| Stato di aggregazione | Movimento delle particelle | Struttura |
|---|---|---|
| Solido | Vibrano sul posto | Struttura ordinata |
| Liquido | Si muovono, restando connesse | Parzialmente ordinata |
| Gassoso | Si muovono liberamente | Nessuna struttura |
Importante: Il passaggio da uno stato all'altro richiede assorbimento o rilascio di energia. È proprio questo che sfrutta la pompa di calore!
I due principi della termodinamica
La scienza del calore – la termodinamica – ha due regole fondamentali:
Primo principio: Conservazione dell'energia
L'energia non può essere creata dal nulla né distrutta. Può solo essere trasformata.
Esempi:
- Energia elettrica → Calore (riscaldamento elettrico)
- Energia chimica → Calore (fuoco)
Secondo principio: Direzione del calore
Il calore si muove sempre dal caldo al freddo.
La natura cerca sempre di raggiungere un equilibrio energetico.
Esempio del camino: Il calore lascia il camino caldo e riscalda la stanza fredda – mai il contrario.
I tre tipi di trasferimento del calore
Il calore può raggiungere un altro luogo in diversi modi:
| Tipo | Descrizione | Esempio |
|---|---|---|
| Conduzione | Contatto diretto tra due materiali | Mano sul termosifone |
| Convezione | Trasporto di calore attraverso gas/liquidi in movimento | L'aria calda sale |
| Irraggiamento | Onde elettromagnetiche | Calore del sole |
Conduzione
Le particelle più veloci del materiale più caldo urtano le particelle più lente di quello più freddo. Il calore si trasferisce così per contatto diretto.
Convezione
L'aria calda ha una densità minore e sale verso l'alto. Porta con sé il calore e lo trasporta in un altro luogo.
Ciclo:
- L'aria si riscalda → la densità diminuisce → sale
- In alto l'aria si raffredda → la densità aumenta → scende
- In basso si riscalda nuovamente → il ciclo si chiude
Irraggiamento termico
Onde elettromagnetiche nella gamma dell'infrarosso. Non necessita di un mezzo di trasmissione – per questo il calore del sole ci raggiunge attraverso il vuoto dello spazio.
Il principio di funzionamento della pompa di calore
La pompa di calore "pompa" calore da un luogo all'altro – proprio come una pompa dell'acqua trasporta acqua.
L'idea di base
La pompa di calore:
- Estrae calore dall'ambiente (anche dall'aria fredda!)
- Comprime questo calore a un livello di temperatura più alto
- Cede il calore al sistema di riscaldamento
Ma come si ricava calore dall'aria fredda?
Il segreto sta nel refrigerante – un liquido speciale che evapora già a temperature molto basse, assorbendo calore.
Il ciclo in quattro fasi
Fase 1: Evaporazione (Assorbimento di calore)
- Il refrigerante liquido scorre attraverso l'evaporatore (scambiatore di calore)
- L'aria ambiente viene aspirata da un ventilatore
- Anche l'aria fredda contiene energia termica
- Il refrigerante assorbe questo calore e evapora (diventa gassoso)
Fase 2: Compressione (Aumento della temperatura)
- Il refrigerante gassoso raggiunge il compressore
- Il compressore comprime meccanicamente il gas
- Con la compressione aumentano la pressione e quindi la temperatura
- Il refrigerante ora ha una temperatura alta e utilizzabile
Fase 3: Condensazione (Cessione di calore)
- Il gas caldo e compresso fluisce verso il condensatore (secondo scambiatore di calore)
- Il calore viene trasferito all'acqua del riscaldamento
- Il refrigerante condensa (torna liquido)
- L'acqua riscaldata fluisce verso il riscaldamento a pavimento o i termosifoni
Fase 4: Espansione (Riduzione della pressione)
- Il refrigerante liquido ha ancora una pressione elevata
- La valvola di espansione rilascia la pressione
- La pressione scende → la temperatura scende
- Il refrigerante è tornato allo stato iniziale
Poi il ciclo ricomincia!
Riepilogo delle fasi
Le quattro fasi del ciclo della pompa di calore possono essere riassunte in modo chiaro:
| Fase | Componente | Processo | Stato di aggregazione |
|---|---|---|---|
| 1 | Evaporatore | Assorbimento calore | Liquido → Gassoso |
| 2 | Compressore | Aumento pressione | Gassoso (caldo) |
| 3 | Condensatore | Cessione calore | Gassoso → Liquido |
| 4 | Valvola di espansione | Riduzione pressione | Liquido (freddo) |
Nessuna violazione della fisica!
A prima vista, la pompa di calore sembra violare il secondo principio della termodinamica: il calore fluisce dal freddo (aria esterna) al caldo (riscaldamento).
La soluzione: Viene impiegata energia (corrente elettrica per il compressore) per invertire il flusso naturale del calore. Il sistema nel suo complesso rispetta le leggi della natura!
Il trucco
- Il refrigerante è più freddo dell'aria esterna → il calore fluisce verso l'interno (fisicamente corretto)
- Mediante la compressione, il refrigerante diventa più caldo dell'acqua del riscaldamento → il calore fluisce verso l'esterno (fisicamente corretto)
La pompa di calore non crea energia dal nulla – la trasporta e la trasforma in modo ingegnoso!
Vantaggi e svantaggi delle pompe di calore
Vantaggi
Le pompe di calore offrono numerosi vantaggi rispetto ai sistemi di riscaldamento convenzionali:
| Vantaggio | Spiegazione |
|---|---|
| Alta efficienza | Da 1 kWh di elettricità si ottengono 3–5 kWh di calore |
| Rispettosa dell'ambiente | Nessuna emissione diretta di CO2 |
| Bassi costi operativi | Più economica di gasolio o gas |
| Lunga durata | 15–25 anni |
| Poca manutenzione | Nessuna combustione = poco usura |
| Nessun deposito combustibile | Non serve serbatoio del gasolio né allaccio gas |
| Incentivi | Contributi statali disponibili |
Svantaggi
Nonostante le molte caratteristiche positive, ci sono anche aspetti da considerare:
| Svantaggio | Spiegazione |
|---|---|
| Alti costi di acquisto | 10.000–25.000 € a seconda del tipo |
| Dipendente dall'elettricità | Richiede corrente elettrica |
| Efficienza cala con il freddo | Meno efficiente a temperature molto basse |
| Rumorosità | L'unità esterna può essere udibile |
| Basse temperature di mandata | Non adatta a tutti i sistemi di riscaldamento |
| Spazio necessario | Serve unità esterna o lavori di scavo |
Conclusione
In sintesi: Le pompe di calore sfruttano una fisica intelligente per estrarre calore dall'ambiente e portarlo a un livello utilizzabile. Il ciclo di evaporazione, compressione, condensazione ed espansione rende possibile ricavare calore per il riscaldamento anche dall'aria fredda dell'inverno.
Quali componenti lavorano insieme esattamente, lo scoprirete nell'articolo I componenti: Scambiatore di calore, compressore e valvola di espansione.
La serie completa di articoli "Pompe di calore"
- L'anti-frigorifero: Come funziona una pompa di calore? – Siete qui
- I componenti: Scambiatore di calore, compressore e valvola di espansione – Componenti
- Indicatori e dimensionamento delle pompe di calore – COP, SPF e altro
- Modalità operative: Monovalente, bivalente e ibrida – Tipi di funzionamento
- Tipi di pompe di calore e l'abbinamento con gli impianti solari – Aria-acqua, geotermica e solare
Fonti
- DESTATIS: Pompe di calore nelle nuove costruzioni 2023
- Mordor Intelligence: Heat Pumps Market
- Heizung.de: Storia della pompa di calore
- LEIFIphysik: Trasporto del calore
- Chemie.de: Termodinamica
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