Pompe di calore ? A basse temperature sono un disastro
Le pompe di calore sono spesso descritte come condizionatori che funzionano “alla rovescia”.
Per comprenderne correttamente il funzionamento, è necessario conoscere il principio di funzionamento di un climatizzatore.
Come funziona un climatizzatore ?
Un climatizzatore trasporta il calore dall’interno dell’abitazione all’esterno attraverso un circuito continuo, utilizzando una miscela chimica chiamata refrigerante.
Il refrigerante viene introdotto nell’abitazione sotto forma di liquido ad alta pressione e a una temperatura appena superiore a quella dell’aria esterna.
Successivamente, il refrigerante si espande in gas attraverso una valvola che ha una pressione inferiore dall’altra parte, diventando molto freddo, con una temperatura di circa 4 °C (39 °F).
Questa parte del climatizzatore è solitamente chiamata evaporatore, proprio perché il refrigerante, passando da liquido a gas, evapora.
Il processo di raffreddamento è simile a quello che si verifica quando si fa uscire l’aria da un pneumatico e l’aria in uscita, espandendosi, risulta fredda (per maggiori dettagli, guardare il video qui sotto sulla legge dei gas ideali).
Il tubo con il liquido refrigerante freddo in fase gassosa viene quindi fatto passare davanti ad una ventola all’interno dell’unità di climatizzazione (o del ventilatore, se si tratta di un’unità di climatizzazione centralizzata) per raffreddare l’ambiente.
Altre definizioni storicamente date a questo principio sono le seguenti :
Non è possibile realizzare una trasformazione il cui unico risultato sia trasferire calore da un corpo più freddo a uno più caldo senza apporto di lavoro esterno (formulazione di Clausius).
È impossibile realizzare una macchina termica ciclica il cui unico risultato sia la conversione in lavoro di tutto il calore assorbito da una sorgente omogenea (formulazione di Kelvin-Planck).
È impossibile realizzare una macchina termica il cui rendimento sia pari al 100%.
La velocità di questa equalizzazione dipende (ovviamente) dalla differenza di temperatura tra i due corpi: più questa differenza di temperatura è elevata, più veloce sarà lo scambio di calore.
Il tubo contenente il refrigerante si raffredda perché è a contatto con il refrigerante freddo, e l’aria all’esterno del tubo si raffredda perché è a contatto con il tubo freddo.
Un ventilatore accelera il contatto dell’aria calda della stanza con il tubo freddo e, quando il calore dell’aria viene trasferito al refrigerante, questo si riscalda.
Il refrigerante a bassa pressione ed ormai caldo viene quindi convogliato verso l’esterno dell’edificio, verso un compressore azionato elettricamente che, riducendo il volume del gas, ne aumenta la pressione.
Il compressore immette energia nel gas e lo fa riscaldare (di nuovo, secondo la legge dei gas ideali).
Il gas caldo ad alta pressione viene quindi raffreddato fino a raggiungere una temperatura prossima a quella esterna, facendo passare il tubo contenente il gas per diversi cicli davanti a un ventilatore che utilizza l’aria esterna per raffreddare e condensare il gas in un liquido ad alta pressione (ecco perché si chiama unità di condensazione).
Il refrigerante liquido ad alta pressione e a temperatura quasi uguale a quella esterna viene poi convogliato all’interno dell’edificio in modo tale da far ripartire l’intero circuito.
Questo circuito è noto come Ciclo di Carnot dal nome del fisico francese Sadi Carnot che lo scoprì nel 1824.
Fu solo nel 1902 che l’ingegnere americano David Carrier realizzò il primo condizionatore d’aria.
È importante ricordare che il ciclo di Carnot è un ciclo puramente teorico, in quanto la sua realizzazione richiede lo studio di una macchina termica teorica in cui un gas altrettanto teorico è soggetto a un ciclo termodinamico.
Ecco perché è impossibile realizzare una macchina termica reale a cui sia possibile applicare il ciclo di Carnot.
Come funziona una pompa di calore ?
Per trasformare un condizionatore d’aria in una pompa di calore, è necessario posizionare l’evaporatore (che raccoglie il calore) all’esterno e il condensatore (che distribuisce il calore) all’interno.
Il refrigerante della pompa di calore deve essere chimicamente diverso in modo da poter essere raffreddato nell’evaporatore a una temperatura di -25 °C (-13 °F) ; inoltre, deve essere più freddo della temperatura esterna in modo da poter assorbire il calore esterno.
I vantaggi delle pompe di calore sono :
Se l’energia elettrica necessaria per far funzionare la pompa di calore è prodotta senza emissioni di anidride carbonica (CO2), questa viene considerata una fonte di riscaldamento “verde”.
Poiché una pompa di calore raccoglie il calore (gratuito) dall’esterno e lo distribuisce all’interno, il suo unico costo di funzionamento è l’energia elettrica necessaria ad alimentare il compressore e le ventole.
Dal punto di vista energetico, una pompa di calore è più efficiente di una caldaia a gas tradizionale, perché trasferisce il calore esistente anziché crearne di nuovo.
Tuttavia, sebbene l’efficienza energetica sia buona, non altrettanto lo è quella economica.
Minore è la differenza di temperatura, più lento è lo scambio di calore…
A una temperatura esterna di 10 °C (50 °F), per ogni unità di energia utilizzata per far funzionare la pompa di calore (elettricità acquistata), la pompa di calore può fornire circa quattro unità di energia dall’esterno sotto forma di calore fornito all’abitazione.
Infatti, a questa temperatura esterna, l’efficienza della pompa di calore è pari a circa il 400%.
Tuttavia, se la temperatura dell’aria esterna scende a -20 °C (-4 °F), l’efficienza di una pompa di calore scende al 200% ; infatti, un’unità di energia in ingresso “acquistata” fornisce solo due unità di energia termica.
Questo è dovuto al fatto che la temperatura esterna (-20 °C) si avvicina alla temperatura del refrigerante (-25 °C), riducendo la percentuale di scambio termico tra i due.
Ancora una volta entra in gioco il secondo principio della termodinamica : minore è la differenza di temperatura, più lento è lo scambio di calore.
Una caldaia a gas naturale convenzionale fornisce invece 0,9 unità di energia termica per ogni unità di energia acquistata, con un’efficienza energetica del 90%.
Quando le pompe di calore sono un disastro ?
Nel luogo in cui scrivo, le temperature sono normalmente inferiori a -20 °C per 20 giorni all’anno e il costo dell’elettricità al dettaglio è nove volte superiore a quello del gas naturale su base energetica equivalente.
Con una temperatura esterna di 10 °C, per riscaldare una stanza alla stessa temperatura, una pompa di calore utilizzerebbe solo il 22,5% dell’energia “acquistata” con una caldaia a gas naturale (22,5% = 90%/400%).
Tuttavia, il costo totale dell’energia “acquistata” sarebbe doppio (22,5%*9 = 2).
In condizioni climatiche favorevoli, il costo di esercizio di una pompa di calore è già doppio rispetto a quello di un impianto di riscaldamento a gas naturale e, già a -20 °C, l’efficienza energetica della pompa di calore scende al 200%, utilizzando solo il 45% dell’energia “acquistata”, ma quest’ultima costerebbe quattro volte di più rispetto al gas naturale.
La bolletta del gas naturale viene addebitata in base ai gigajoule (GJ), mentre quella dell’elettricità in base ai chilowattora (kWh).
Attualmente, nel luogo in cui vivo, il gas naturale costa 4,89 dollari per gigajoule (GJ) e l’elettricità 0,16 dollari per chilowattora (kWh).
Possiedo un impianto di riscaldamento a gas naturale con un’efficienza del 90%.
Di seguito sono riportati gli scenari di temperatura che forniscono un’approssimazione della differenza di costo tra il funzionamento di una caldaia e quello di una pompa di calore nel luogo in cui vivo :
La temperatura dell’aria esterna deve essere di almeno 10°C o superiore.
Per ottenere il costo energetico equivalente in kWh, occorre dividere il costo del gas per 60.
Se questo numero è inferiore al costo dell’elettricità in kWh, allora è più conveniente utilizzare una caldaia a gas naturale rispetto a una pompa di calore.
4,89 $/GJ (gas) diviso 60 equivale a 0,08 $/kWh (elettricità).
Secondo questo scenario, riscaldare una casa con il gas costa la metà dell’elettricità necessaria per far funzionare una pompa di calore (0,08 $/0,16 $).
La temperatura esterna è vicina a -20 °C.
Per ottenere il costo equivalente in kWh, occorre dividere il prezzo del gas in GJ (4,89 dollari) per 120.
In questo caso, il costo di una caldaia a gas naturale è un quarto rispetto a quello di una pompa di calore.
La temperatura dell’aria esterna è di -25 °C o anche inferiore : la maggior parte dei modelli di pompe di calore per uso domestico non funziona, perché il liquido refrigerante deve essere più freddo della temperatura esterna.
Inoltre, molte pompe di calore incorporano una resistenza elettrica convenzionale come riserva di temperatura fredda; questo dato è confermato dagli ingegneri progettisti che hanno dimostrato l’impossibilità di violare il secondo principio della termodinamica.
[Nota importante : un GJ di gas naturale equivale a 278 kWh di elettricità ed è approssimativamente equivalente a un milione di British Thermal Units (BTU)].
Quello che non dicono i sostenitori delle pompe di calore
Certo, nelle zone dove il clima è temperato (e soprattutto umido), e in cui il riscaldamento invernale è più un fattore di comfort che di sopravvivenza, e soprattutto se in estate è necessario utilizzare un climatizzatore a causa dell’elevata umidità, una pompa di calore commutabile in condizionatore d’aria è una soluzione da prendere in considerazione, vista la sua efficienza energetica.
Tuttavia, ci sono anche altri aspetti da considerare, come ad esempio :
Rispetto alle caldaie a gas, le pompe di calore hanno costi di esercizio molto più elevati; ecco perché i governi stanno cercando in tutti i modi di incentivare la loro diffusione, tassando i combustibili fossili ed utilizzando i proventi di questa tassazione per sovvenzionare l’elettricità “verde”.
Le caldaie a gas naturale forniscono calore istantaneamente e possono riscaldare una casa fredda molto più rapidamente di una pompa di calore.
In zone molto fredde (con temperature inferiori ai -25 °C), le pompe di calore non sono adatte.
