Capire come funziona la pompa di calore con gonfietto da bici e bomboletta spray

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Come è possibile che lo stesso dispositivo sia in grado di produrre caldo e freddo allo stesso tempo? Vediamo con semplici esempi i clicli principali del suo funzionamento: compressione e condensazione

La pompa di calore è un dispositivo in grado di estrarre calore da una fonte esterna a temperatura più bassa dell’ambiente che si vuole riscaldare. Viene utilizzata non solo per riscaldare ma anche per raffrescare un ambiente.

Come funziona una pompa di calore?

Come è possibile che lo stesso dispositivo sia in grado di produrre caldo e freddo allo stesso tempo?

È quello che vedremo nel nuovo articolo di oggi grazie a due semplici esempi che sfruttano due oggetti di uso comune: una bomboletta spray e un gonfietto da bici.

I componenti di una pompa di calore

Una pompa di calore estrae calore dall’ambiente esterno e lo veicola dove se ne ha necessità. Il suo funzionamento è costituito da due cicli principali: compressione e condensazione.

Ma come fa una pompa di calore ad estrarre calore dall’ambiente esterno quando è inverno e la temperatura esterna è molto bassa? Il principio è semplice: il calore si trasferisce dal corpo più caldo al corpo più freddo. Per assorbire calore dall’ambiente esterno, la pompa di calore dovrà generare una temperatura inferiore a quella dell’ambiente esterno in modo che il calore contenuto si trasferisca al circuito della pompa di calore in cui circola il fluido refrigerante a temperatura più bassa.

I componenti principali di una pompa di calore sono:

  • Un condensatore: ovvero un circuito in cui scorre il fluido refrigerante il cui scopo è cedere calore all’ambiente da riscaldare
  • Un evaporatore: ovvero un circuito che ha lo scopo di assorbire calore dall’ambiente esterno per poi trasferirlo all’ambiente interno
  • Una valvola di laminazione che separa il circuito di condensazione (caldo) da quello di evaporazione (freddo) mantenendo la differenza di pressione fra i due circuiti
  • Un compressore: un dispositivo elettrico che genera la differenza di pressione fra il circuito di condensazione e quello di evaporazione.

Le fasi di funzionamento di una pompa di calore

Il funzionamento di una pompa di calore prevede quattro fasi:

  1. evaporazione: il fluido refrigerante si espande nel circuito di condensazione e passa allo stato gassoso diminuendo la sua temperatura;
  2. compressione: un compressore comprime il fluido refrigerante nel circuito, con conseguente aumento di pressione e temperatura;
  3. condensazione: il fluido refrigerante passa allo stato liquido in seguito all’aumento di pressione generato dal compressore. L’aumento di pressione aumenta la temperatura del fluido che cederà calore all’ambiente da riscaldare;
  4. espansione: attraverso una valvola di laminazione il fluido refrigerante passa nel circuito di evaporazione in cui si troverà a temperatura più bassa, ripetendo l’intero ciclo appena descritto.

La fase di evaporazione: l’esperimento della bomboletta spray

La prima fase del ciclo di una pompa di calore consiste nell’evaporazione di un liquido refrigerante. Il liquido, espandendosi, diminuisce la sua temperatura. Diventando più freddo dell’ambiente esterno inizierà ad assorbire calore da esso. È lo stesso fenomeno che accade quando si utilizza una bomboletta spray. Schiacciando il tasto che provoca la fuoriuscita del gas per un tempo prolungato, sentiremo la bomboletta diventare fredda nella parte superiore a contatto con la nostra mano. È la stessa cosa che accade nel circuito di evaporazione di una pompa di calore.

Bomboletta
Espandendosi un gas diminuisce la propria temperatura

La fase di compressione: l’esperimento del gonfietto da bicicletta

La seconda fase del ciclo di funzionamento di una pompa di calore è la compressione. Se si comprime un gas, aumenterà la sua temperatura. In tal modo, avendo il gas una temperatura più alta dell’ambiente interno, cederà calore all’ambiente interno. Puoi sperimentare la seconda fase del ciclo di una pompa di calore attraverso un gonfietto da bici. Se comprimi il gonfietto tappando il buco di fuoriuscita dell’aria sentirai la temperatura aumentare. È lo stesso principio che determina l’aumento di temperatura nel fluido del circuito di condensazione di una pompa di calore.

Gonfietto per bicicletta
Comprimendosi un gas aumenta la propria temperatura

 

Le tipologie di pompe di calore

Le pompe di calore possono estrarre il calore da diverse fonti. Vengono classificate in base alla tipologia della fonte di calore che utilizzano. Si possono distinguere le seguenti tipologie:

Pompa di calore: aria - aria

Aria-aria: estrae calore dall’aria esterna per riscaldare gli ambienti interni

pompa di calore: aria - acqua

Aria-acqua: estrae calore dall’aria esterna per riscaldare un fluido che scorre all’interno di un circuito di termosifoni o pannelli radianti

pompa di calore: acqua / acqua

Acqua-acqua: estrae calore dall’acqua di falda per riscaldare un fluido che scorre all’interno di un circuito di termosifoni o pannelli radianti

Terra-acqua: estrae calore dal terreno.

 

Oltre a quelle appena descritte (pompe di calore elettriche) esistono le seguenti pompe:

  • Ad assorbimento a fuoco diretto: sfruttano la solubilità e l’elevata affinità tra due sostanze, di cui una funziona da refrigerante e l’altra da assorbente, per realizzare un ciclo dove l’energia introdotta è prevalentemente termica. La differenza maggiore con le pompe di calore elettriche è l’assenza della fase compressione. Infatti, in questa tipologia di macchine la fase di compressione è totalmente sostituita con due fasi distinte: la generazione e l’assorbimento;
  • A motore endotermico: rispetto alle pompe di calore elettriche, il compressore è sostituito da un motore endotermico alimentato a gas naturale. Il vantaggio di tali pompe consiste nel poter recuperare parte del calore dei componenti del motore e dei gas di scarico, destinandolo al riscaldamento di ambienti e/o produzione di acqua calda sanitaria.

Raffrescamento e riscaldamento generato dallo stesso dispositivo

Una pompa di calore è in grado di generare sia riscaldamento che raffrescamento. Per passare alla funzione di raffrescamento è sufficiente invertire il ciclo di funzionamento. Invece di comprimere il fluido nell’ambiente interno ed espanderlo nell’ambiente esterno, il ciclo si inverte. La pompa di calore estrarrà quindi calore dall’ambiente interno per disperderlo nell’ambiente esterno. In tal modo l’impianto può essere utilizzato sia per raffrescare che per riscaldare.

Conclusioni

Come hai potuto vedere una pompa di calore è un dispositivo che utilizza l’elettricità per generare sia caldo che freddo attraverso un compressore, una valvola di laminazione e due circuiti chiusi. Può essere utilizzato sia per produrre acqua calda sanitaria che per riscaldare/raffrescare un appartamento. Spesso conoscere il principio di funzionamento di un impianto può aiutarci a scegliere la tipologia e il modello più adatto in funzione delle esigenze da soddisfare e a comprendere meglio i parametri che ne definiscono le caratteristiche.

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Luca Cocozza

Luca Cocozza

Responsabile tecnico presso Blumatica S.r.l.


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