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La pompa di calore è una macchina in grado di trasferire energia termica da una sorgente a temperatura più bassa ad una sorgente a temperatura più alta o viceversa, utilizzando differenti forme di energia, generalmente elettrica.
  • pompa di calore a compressione di gas;
  • pompa di calore a cambiamento di fase;
  • pompa di calore a scambio geotermico;
Si noti che, nel campo di condizionamento dell'aria, il termine pompa di calore è specificamente riferito ad un condizionatore d'aria con valvola reversibile, che cambia la direzione di scorrimento del fluido refrigerante e permette così sia di apportare sia di estrarre calore da un locale di un edificio. Le pompe di calore funzionano grazie a diversi principi fisici, ma sono classificate in base alla loro applicazione (trasmissione di calore, fonte di calore, dispersore di calore o macchina refrigeratrice). Si porge una spiegazione intuitiva di come funziona una pompa di calore. Si immaginino 100 unità di energia termica all'interno di un pallone; questo viene compresso fino a raggiungere le dimensioni di una pallina da ping pong: questa pallina contiene le stesse unità di energia, ma l'energia termica per unità di volume è maggiore e la temperatura dell'aria all'interno della palla è aumentata. Le pareti della pallina si riscaldano e quindi il calore inizia a trasferirsi all'esterno. Per portare questo calore in un altro luogo, si può immaginare di muovere la pallina in una zona fredda, dove essa gradualmente aggiusterà la sua temperatura fino a uguagliare la temperatura dell'ambiente: in questo processo si ipotizza che essa trasferisca 50 unità di energia termica. Dopo che la pallina si è raffreddata, la si può riportare nella zona iniziale e lasciarla espandere. Dato che ha perso calore, nel momento in cui torna alle dimensioni di un pallone la sua temperatura è troppo bassa e quindi inizia ad assorbire energia termica, raffreddando l'aria circostante. Il compressore di una pompa di calore crea proprio la differenza di pressione che permette il ciclo (similmente alla palla che si espande e si contrae): esso aspira il fluido refrigerante attraverso l'evaporatore, dove il fluido stesso evapora a bassa pressione assorbendo calore, lo comprime e lo spinge all'interno del condensatore dove il fluido condensa ad alta pressione rilasciando il calore assorbito. Dopo il condensatore, il fluido attraversa la Valvola di laminazione che lo porta in condizione liquido/vapore (riduce la pressione del fluido), successivamente rientra nell'evaporatore ricominciando il ciclo. Il fluido refrigerante cambia di stato all'interno dei due scambiatori: passa nell'evaporatore da liquido a gassoso, nel condensatore da gassoso a liquido. Pompa di calore ad aria per condizionamento [modifica] L'unità esternaCi sono due tipi di pompe di calore ad aria; la più comune è quella aria-aria, che estrae calore dall'aria e lo riversa all'interno o all'esterno di un edificio, a seconda della stagione; segue poi quella aria-acqua, che è utilizzata in ambienti con la distribuzione idronica del calore (questa seconda soluzione è comunque più rara). Le pompe di calore ad aria possono essere: progettate per lavorare in unione con una fonte supplementare di riscaldamento, come una caldaia elettrica, a gas, a gasolio. già dotate di resistenza elettrica in funzione di riscaldatore supplementare; bivalenti, se sono dotate di un riscaldatore a propano per innalzare la temperatura dell'aria in ingresso dall'esterno. La fase di riscaldamento [modifica]Il calore è prelevato dall'aria esterna e portato all'interno dell'edificio. Il fluido refrigerante attraversa la valvola di laminazione e diventa una miscela liquido-vapore a bassa pressione. Quindi entra nell'evaporatore, posto all'esterno, dove assorbe calore fino a diventare vapore a bassa temperatura. Il vapore attraversa l'accumulatore, dove è raccolto anche ogni rimanente liquido. Quindi viene compresso, con conseguente innalzamento della temperatura. Il vapore caldo giunge nel condensatore, che è il radiatore posto all'interno dell'edificio (vicino all'eventuale caldaia), e cambia di fase rilasciando il calore di liquefazione. Il liquido ottenuto ritorna alla valvola di laminazione e il ciclo si ripete. Alla temperatura esterna di equilibrio la capacità di riscaldamento della pompa pareggia le dispersioni termiche dell'edificio, mentre sotto ad essa è necessario l'apporto di una caldaia tradizionale. Si sottolinea che la pompa di calore produce aria in grandi quantità (50-60 l/s per kW) a temperature tra i 25 °C e i 45 °C, tendendo ad operare per periodi più lunghi rispetto a una normale caldaia, che rilascia aria tra i 55 °C e i 60 °C. La fase di raffreddamento [modifica]D'estate si inverte il ciclo appena descritto in modo da cambiare direzione al flusso di calore: il liquido refrigerante evapora nel radiatore interno e condensa nel radiatore esterno. L'aria interna viene inoltre deumidificata. La fase di sbrinamento [modifica]Quando il radiatore esterno opera come evaporatore, la sua superficie risulta a bassa temperatura quando anche l'aria esterna è fredda (fase di riscaldamento nella stagione invernale). Questo comporta la formazione di ghiaccio su di esso, dovuta alla presenza di umidità nell'aria esterna, e di conseguenza una riduzione del rendimento dello scambio termico (il ghiaccio è isolante). Per disciogliere lo strato di ghiaccio la valvola reversibile inverte il ciclo e la ventola dell'evaporatore esterno si ferma, in modo da ridurre l'energia termica necessaria per lo sbrinamento. Ovviamente, mentre la macchina è in questa fase, il radiatore interno raffredda l'aria dell'edificio e quindi vi è la necessità di riscaldarla prima di immetterla in circolo. Vi sono due metodi per stabilire quando effettuare lo sbrinamento: con un sensore di temperatura esterno e un timer che inverte il ciclo ogni tot minuti; con un sistema di controllo più raffinato, che monitora il flusso d'aria, la pressione del refrigerante, la temperatura dell'aria. Il secondo metodo, seppur più caro, è preferibile in quanto evita sbrinamenti non necessari e quindi migliora il rendimento della macchina. .
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