La pompa di calore aria-acqua: come funziona?

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. Leggendo questo articolo capirete il principio delle pompe di calore aria-acqua.

Una pompa di calore aria-acqua assorbe calorie dall'aria esterna grazie al carattere endotermico 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 spiegarla, ma può essere semplificata e, una volta compresa, può essere spiegata in dettaglio.

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 la porta chiusa. Il motivo è semplice e tutti ne siamo intuitivamente consapevoli. Perché è necessario limitare le dimensioni del volume da raffreddare. Si vuole raffreddare solo il cibo che si trova in frigorifero.

Ma cosa succede se si apre la porta del frigorifero? Si può immaginare che il cibo si riscaldi nell'aria. Il frigorifero continua a funzionare perché non sa che la porta è aperta. Pertanto, senza saperlo, cerca di raffreddare un volume troppo grande per il suo piccolo compressore, cerca di raffreddare l'intera stanza.

Il risultato è che il suo piccolo compressore è sempre in funzione. Guarda il punto di riferimento che deve raggiungere e, finché non lo raggiunge, continua ad andare avanti. E il condensatore sul retro del frigorifero funziona a pieno regime. Si condensa, si 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 quando la porta è aperta. Per lui è quasi infinita e impossibile da raffreddare. Quindi funziona a ciclo continuo 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 all'intero ambiente esterno, al giardino, al pianeta. Quindi abbiamo una fonte "infinita" da raffreddare. Di conseguenza, è possibile riscaldare l'abitazione tramite la condensazione al condensatore sull'acqua della rete domestica: il refrigerante ridistribuisce le calorie prelevate dall'aria esterna.

È controintuitivo assumere calorie dall'aria fredda.

Può sembrare controintuitivo riscaldare una stanza utilizzando l'energia dell'aria esterna, quando fuori fa molto freddo in inverno (-10 / -15°C). Ed è proprio in inverno che dovrebbe riscaldare di più.

Ma è bene sapere che l'aria, a prescindere dalla sua temperatura, contiene comunque calorie che possono essere espulse. Naturalmente, più è freddo e secco, meno calorie contiene, ed è per questo che le pompe di calore funzionano un po' meno bene in inverno. Cioè, 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 quella di riuscire nel passaggio opposto! Cioè il passaggio di calore dall'ambiente più freddo a quello più caldo. È da qui che deriva il termine "pompa di calore", in quanto il calore viene pompato nell'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 di energia potenziale più basso a un punto di energia potenziale più alto.

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 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 e quindi di catturare energia dall'ambiente naturale anche in inverno.

Sappiamo tutti che l'acqua, che è il fluido naturale più comune, evapora intorno ai 100°C. Ma questo vale solo in condizioni standard, cioè alla pressione atmosferica di 1013 HPa. In questo caso passa dallo stato liquido a quello di 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: diminuisce di quasi 3 volte (circa 350HPa). L'acqua evapora molto più velocemente, in questo caso a partire da circa 70°C. Questo illustra il fatto che la pressione di un fluido può essere influenzata e quindi la sua temperatura di evaporazione può essere modulata.

Questo può essere rapidamente paragonato alla 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 presto sarà presente in tutte le pompe di calore residenziali, dato che l'R410A si sta lentamente avviando verso un divieto programmato (2025) e tutti i produttori hanno iniziato a utilizzarlo. 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, ad esempio, quando ci sono -6°C. A tal fine, dovrà aumentare fino a 6500HPa.

Ecco perché negli impianti a pompa di calore, oltre agli scambiatori di calore (evaporatore ad aria + condensatore ad acqua), sono presenti due dispositivi che consentono di modulare la pressione del fluido. Si tratta del compressore e della valvola di espansione. Questi sono posti rispettivamente dopo e prima dell'evaporatore e permettono di creare 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 calorie (in base alle esigenze di riscaldamento).

Caso speciale della pompa di calore aria-acqua

In una pompa di calore aerotermica, le calorie vengono catturate dall'aria esterna, in corrispondenza dell'evaporatore. Vengono restituiti alla rete idrica domestica attraverso un condensatore ad acqua, in cui 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 i moduli interni ed esterni.

Nel caso di una pompa di calore monoblocco (tutto si trova 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, tramite uno scambiatore.

Per saperne di più sull'argomento:

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