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Questo apparecchio di riscaldamento alla moda, popolare per il suo utilizzo di energia rinnovabile dall'aria, rimane spesso un mistero per quanto riguarda il suo funzionamento. Questo articolo vi aiuterà a capire il principio alla base delle pompe di calore aria/acqua.
Una pompa di calore aria-acqua assorbe il calore dall'aria esterna grazie alla natura endotermica della reazione di evaporazione di un refrigerante. Distribuisce le calorie all'acqua della rete domestica grazie alla proprietà esotermica della condensazione dello stesso refrigerante.
La definizione di cui sopra è un modo "complicato" di spiegare le cose, ma è perfettamente possibile spiegare le cose in termini profani e, una volta compreso, si può entrare in maggiori dettagli.
Viene spiegato il principio di funzionamento della pompa di calore aria-acqua.
Analogia con il frigorifero
Tutti abbiamo un frigorifero a casa. Se si vuole che funzioni, è meglio lasciare lo sportello chiuso. Il motivo è semplice e tutti ne siamo intuiti. È perché è necessario limitare le dimensioni del volume da raffreddare. Si vuole raffreddare solo il cibo contenuto nel frigorifero.
Ma cosa succede se si apre la porta del frigorifero? Si può immaginare che il cibo si riscaldi quando entra in contatto con l'aria dell'ambiente. Il frigorifero continua a funzionare perché non sa che la porta è aperta. Senza rendersene conto, sta cercando di raffreddare un volume troppo grande per il suo piccolo compressore, sta cercando di raffreddare l'intera stanza.
Il risultato è che il suo piccolo compressore lavora costantemente. Guarda il set point che deve raggiungere e, finché non lo raggiunge, continua a lavorare. E il condensatore sul retro del frigorifero lavora a pieno regime. Condensa, condensa, quindi si riscalda perché la condensazione è una reazione che rilascia calore (esotermica).
Il vostro frigorifero è diventato un riscaldatore: ha davanti a sé il volume della stanza da raffreddare finché la porta è aperta. Per lui questo volume è virtualmente infinito e impossibile da raffreddare. Quindi funziona in loop e si riscalda per condensazione.
Lo stesso principio si applica al riscaldamento della casa con una pompa di calore. Solo che non si "apre la porta" al volume della stanza, ma a tutto l'ambiente esterno, il giardino... insomma, il pianeta. Quindi si ha una fonte "infinita" da raffreddare. Di conseguenza, è possibile riscaldare la casa per condensazione al condensatore sull'acqua della rete domestica: il refrigerante ridistribuisce le calorie sottratte all'aria esterna.
È controintuitivo assumere calorie dall'aria fredda
Può sembrare controintuitivo riscaldare una stanza utilizzando l'energia dell'aria esterna, quando in inverno fa un freddo cane (-10 / -15°C). Ed è proprio in inverno che l'ambiente ha più bisogno di essere riscaldato.
Ma è importante ricordare che l'aria, a prescindere dalla sua temperatura, contiene comunque calorie che possono essere espulse. Naturalmente, più l'aria è fredda e secca, meno calorie contiene, ed è per questo che le pompe di calore funzionano un po' meno bene in inverno. In altre parole, consumano più elettricità per fornire la stessa quantità di riscaldamento.
Questo fatto è naturalmente controintuitivo, perché istintivamente sappiamo che il calore fluisce sempre dall'ambiente più caldo a quello più freddo. Sapete che se aprite la finestra in inverno, nel cuore della notte, vi ritroverete presto a rabbrividire perché tutto il calore della casa sarà uscito dalla finestra.
La magia della pompa di calore è che riesce a fare il contrario! In altre parole, trasferisce il calore dall'ambiente più freddo a quello più caldo. È da qui che deriva il termine "pompa di calore", perché il calore viene pompato dall'ambiente naturale. Combatte questo passaggio naturale dal caldo al freddo, proprio come una pompa di pozzo riesce a vincere la gravità spostando l'acqua dal suo punto più basso di energia potenziale a un punto più alto di energia potenziale.
Ulteriori dettagli sul funzionamento della pompa di calore aria-acqua
Leggendo i primi due paragrafi si dovrebbe aver intuito il principio della pompa di calore aria-acqua. Entriamo ora nel dettaglio. Qual è il mistero che si cela dietro la capacità della pompa di calore di invertire il principio naturale del trasferimento di calore?
Il refrigerante: il conduttore dell'orchestra della pompa di calore.
La magia della pompa di calore è in gran parte dovuta alla proprietà dei refrigeranti di evaporare a temperature molto basse, in modo da poter catturare energia dall'ambiente naturale anche in inverno.
Sappiamo tutti che l'acqua, il fluido naturale più comune, evapora a circa 100°C. Ma questo vale solo in condizioni standard, cioè alla pressione atmosferica di 1013 HPa. L'acqua si trasforma quindi da liquido a vapore e si dice che evapora. Questa reazione di evaporazione è detta endotermica, cioè assorbe una quantità di energia (calorie) dall'ambiente in cui avviene.
Tuttavia, se ci si trova in cima al Monte Everest, la pressione atmosferica non è affatto la stessa: scende di quasi 3 volte (circa 350HPa). L'acqua evapora molto più rapidamente, in questo caso a partire da circa 70°C. Questo illustra il fatto che possiamo controllare la pressione di un fluido e quindi modulare la sua temperatura di evaporazione.
Possiamo fare rapidamente il collegamento con la pompa di calore. Se possiamo modulare la pressione del gas refrigerante secondo i nostri desideri, allora possiamo farlo evaporare alla temperatura che vogliamo, e in questo caso vogliamo che evapori alla temperatura dell'aria esterna, per catturarne il calore.
Prendiamo l'esempio del gas refrigerante R32, che sarà presto utilizzato in tutte le pompe di calore residenziali, dato che l'R410A è in fase di graduale eliminazione (2025) e tutti i produttori sono d'accordo. La sua temperatura di ebollizione (evaporazione) è di -51,7°C a pressione atmosferica. Se siamo in Siberia va bene, ma non siamo in Siberia, quindi dovremo modulare la pressione in modo che evapori a -6°C, per esempio. Dovrà aumentare fino a 6500HPa perché ciò avvenga.
Per questo motivo, oltre agli scambiatori di calore (evaporatore ad aria + condensatore ad acqua), i sistemi a pompa di calore sono dotati di due dispositivi che modulano la pressione del fluido. Si tratta del compressore e della valvola di espansione. Sono collocati rispettivamente dopo e prima dell'evaporatore e consentono una regolazione adattiva della pressione del gas in modo che, qualunque sia la temperatura esterna, il gas possa evaporare come si deve e catturare la massima quantità di calore (a seconda del fabbisogno di riscaldamento).
Caso speciale della pompa di calore aria-acqua
In una pompa di calore ad aria, il calore viene raccolto dall'aria esterna nell'evaporatore. Nel condensatore, il refrigerante passa da un lato e l'acqua dall'altro. Lo scambio di calore avviene attraverso le pareti dello scambiatore e, naturalmente, non c'è contatto tra l'acqua e il refrigerante.
Alcune marche utilizzano uno scambiatore di calore a piastre per realizzare il condensatore, mentre altre utilizzano un condensatore coassiale, che è generalmente più affidabile e duraturo e richiede meno manutenzione.
Nel caso di una pompa di calore split (unità interna ed esterna separate), il condensatore si trova nel modulo interno. Il refrigerante circola tra il modulo interno e quello esterno.
Nel caso di una pompa di calore monoblocco (tutto è nell'unità esterna), il condensatore si trova all'esterno dell'unità e l'acqua circola tra l'unità e l'interno dell'abitazione. L'acqua recupera il calore dal condensatore e lo scambia con il serbatoio tampone nel locale tecnico, attraverso uno scambiatore.
Per saperne di più sull'argomento:
L'autore
Julienlaureata in ingegneria meccanica e specializzata in ingegneria climatica dal 2009, è diventato uno scrittore specializzato in energie rinnovabili, con esperienza in pompe di calore e pannelli solari fotovoltaici per gli alloggi individuali.