Pompa di calore, riscaldare una casa diventa ecologico

Il secondo principio della termodinamica ci dice ciò che noi riscontriamo sempre nell’esperienza quotidiana, cioè che il calore (una forma di energia) fluisce spontaneamente sempre e solo da un corpo a temperatura più alta verso un corpo a temperatura più bassa. Esistono però parecchie applicazioni pratiche dove è utile realizzare il contrario, ad esempio quando si vuole raffreddare un ambiente (macchina frigorifera) o riscaldarlo (pompa di calore). Questo effetto però non è ottenibile spontaneamente dato che appunto si andrebbe contro al secondo principio.

Prendendo per esempio un appartamento durante la stagione invernale, si registrerà una continua dispersione di energia termica verso l’ambiente esterno. Per mantenere la temperatura interna ad un certo valore in modo da renderlo vivibile, occorrerà una sorgente esterna in grado di erogare determinate quantità di calore con continuità. Questa è per forza di cose l’ambiente esterno stesso, il quale si trova però ad una temperatura anche molto inferiore rispetto all’edificio da riscaldare. Il caso sembra apparentemente irrisolvibile, dato che andrebbe contro al secondo principio della termodinamica, il che è impossibile.

Nella termodinamica applicata, il postulato di Clausius ci dice che “è impossibile costruire una macchina termica operante secondo un processo ciclico il cui unico effetto sia il trasferimento di calore da un corpo a temperatura più bassa ad uno  a temperatura più alta”. Dunque l’unico modo che ha l’ambiente esterno di fornire calore all’interno di un edificio (durante giornate fredde) è quello di rendere questo trasferimento compatibile col secondo principio, cioè fare in modo che la variazione complessiva di entropia nel sistema isolato (costituito da ambiente interno e esterno insieme) sia positiva. Affinché ciò accada occorre fornire energia al sistema, in genere sotto forma di lavoro meccanico, in modo che il calore fornito all’ambiente interno sia maggiore di quello prelevato dall’ambiente esterno. In questa maniera la variazione di entropia risulta positiva e il secondo principio della termodinamica viene chiuso in maniera corretta. Nella pratica il trasporto di calore si realizza interponendo tra i due ambienti un opportuno dispositivo chiamato pompa di calore, il quale realizza il ciclo inverso che permette di trasferire calore in maniera continua da una zona più fredda ad una più calda.

Ciclo a compressione meccanica

La pompa di calore può prelevare energia termica da varie sorgenti naturali, come l’aria, le falde acquifere sotterranee o anche dal terreno, ovviamente le ultime due sono quelle con temperatura un po’ più stabile anche durante l’inverno. Come fa dunque un meccanismo come quello descritto prima a trasferire calore all’interno di un’abitazione? Prendiamo in considerazione la tipologia più diffusa, cioè la pompa di calore aria-aria (preleva calore dall’atmosfera esterna). Sappiamo innanzi tutto che il sistema è necessariamente chiuso, dato che deve operare con continuità, avremo perciò delle tubature che in un certo punto si ricollegano e chiudono il ciclo. All’interno di queste circola solitamente un liquido antigelo a temperatura bassissima e questo aspetto è fondamentale poiché esso deve prelevare attraverso uno scambiatore calore dall’aria esterna in maniera spontanea anche durante le fredde giornate invernali. Questo liquido refrigerante ha una bassa temperatura di ebollizione che gli permette di vaporizzare con il solo riscaldamento da parte dell’ambiente esterno. A questo punto il gas formatosi passa in un compressore, il quale per funzionare ha bisogno di energia aggiuntiva (lavoro meccanico) che gli verrà fornita attraverso un motore elettrico, ciò rende la variazione di entropia positiva e rende la pompa di calore congrua con il secondo principio della termodinamica. Comprimendo il vapore esso aumenta di molto la sua temperatura e trasferisce dunque calore sempre in maniera spontanea al circuito di riscaldamento dell’abitazione, il quale permette di riscaldare l’ambiente interno e l’acqua sanitaria.  Rilasciando calore il refrigerante abbassa la propria temperatura e torna dallo stato di vapore allo stato liquido. Prima di tornare nel circuito esterno il refrigerante deve però necessariamente passare attraverso una valvola di laminazione, la quale ne abbassa la pressione e diminuisce ulteriormente la temperatura del liquido, così che esso possa tornare a scambiare calore con l’aria esterna. In questo modo il ciclo è chiuso in maniera corretta e la pompa di calore può lavorare con continuità.

Coefficient of performance

Le prestazioni di qualsiasi macchina vengono riassunte dal proprio valore di rendimento, definito solitamente come lavoro utile su lavoro motore con valori che vanno da 0 a massimo 1 anche se è impossibile raggiungerlo per ragioni fisiche. Nel nostro caso però viene usata una variante, cioè il rendimento termodinamico dato dal rapporto dell’effetto utile (ossia il calore fornito all’abitazione) e il lavoro motore o anche detto spesa energetica. La differenza più grande sta nel fatto che quest’ultimo chiamato COP pompa di calore (per distinguerlo da quello della macchina frigorifera), Coefficient Of Performance, è sempre maggiore dell’unità, dato che all’abitazione a temperatura più alta viene ceduto non solo il calore dell’ambiente più freddo, ma anche dell’energia esterna appunto sotto forma di lavoro. Riassumendo il tutto, il rendimento termodinamico misura la bontà di funzionamento della macchina termica inversa in questione e indica perciò la quantità di calore immessa in un sistema rispetto al lavoro impiegato.

In alcune applicazioni è utile esprimere il COP pompa di calore in funzione del costo unitario dell’energia elettrica e termica, espressi in euro/KW, in sostanza ci dice quanta corrente elettrica dobbiamo pagare al gestore locale per riscaldare un’abitazione. Così è possibile calcolare quale debba essere il coefficient of perfomance minimo affinchè si abbia convenienza dal punto di vista economico, nell’utilizzo di una pompa di calore al posto di una tradizionale caldaia. Dato che il COP pompa di calore è fortemente influenzato dalle condizioni ambientali esterne che variano durante l’anno, allora si è pensato di utilizzare come parametro comparativo anche il COP stagionale (chiamato SCOP), il quale viene calcolato come il rapporto tra l’energia termica fornita ad un’abitazione durante il periodo invernale e l’energia elettrica richiesta dalla macchina durante lo stesso periodo. Va da se che lo SCOP per come è concepito risulta funzione della fascia climatica in cui una pompa di calore viene istallata.

Come detto un comune motore elettrico converte energia elettrica in lavoro meccanico, il quale è necessario per il funzionamento del compressore, mentre tutto il resto del ciclo a compressione meccanica lavora in maniera spontanea congruentemente al secondo principio della termodinamica. Ci rendiamo dunque conto che una pompa di calore è un meccanismo assolutamente ecologico dato che non presenta nessuna forma di combustione all’interno. Per questo motivo si pensa che essa potrà rappresentare il futuro della nostra vita quotidiana e diventare parte integrante delle nostre case. Infatti oggi giorno si cerca di ridurre il più possibile l’impronta carbonica che lasciamo noi esseri umani e dato che una buona parte dell’inquinamento presente è dato dal riscaldamento delle abitazioni, allora questa tecnologia potrà risultare importante e addirittura vitale in un prossimo futuro. Un intelligente accoppiamento della pompa di calore, insieme ai fornelli ad induzione e ai generatori di energia rinnovabile come impianti mini-eolici o i pannelli fotovoltaici permetteranno di rendere la vita casalinga completamente carbon-free, combattendo in questo modo il surriscaldamento globale che imperversa ormai da decine di anni.