TERMOPOMPA
TERMOPOMPA
(ingl. heat pump; fr. pompe àchaleur; ted. Wärmepumpe). -La termopompa o pompa di calore costituisce una recente applicazione dei principî di funzionamento delle macchine refrigeranti, avente lo scopo di utilizzare calore di cui si abbia larga disponibilità, ma che si trovi a temperatura inferiore a quella di impiego. Secondo lo stesso principio funzionano anche impianti per la concentrazione di soluzioni saline, o per distillazione. Mentre le macchine refrigeranti sono impiegate per la sottrazione di una certa quantità di calore alla temperatura inferiore del ciclo di funzionamento (nel refrigerante), le termopompe hanno per scopo essenziale la cessione di una certa quantità di calore alla temperatura superiore del ciclo di funzionamento (nel condensatore). Le termopompe seguono quindi lo stesso ciclo di funzionamento delle macchine refrigeranti e possono essere impiegate con migliore utilizzazione del lavoro speso qualora funzionino anche da macchine refrigeranti, sottraendo calore da un ambiente che debba essere mantenuto a bassa temperatura per restituirlo (aumentato dell'equivalente termico del lavoro necessario al funzionamento della macchina) ad un ambiente che debba essere riscaldato.
È noto che per le macchine refrigeranti il ciclo di Carnot è quello di massimo effetto utile refrigerante e che, allo scopo di non scostarsi troppo in pratica da tale ciclo, occorre adoperare vapori saturi, cioè fluidi le cui trasformazioni isotermiche siano anche isobariche. L'effetto utile refrigerante teorico per tali macchine è dato dal rapporto:
in cui: Q1 −Q2 + AL è il calore ceduto nel condensatore a temperatura T1; Q2 è il calore sottratto (frigorie prodotte) nel refrigerante a temperatura T2; Q1 = Q2 + AL è l'equivalente termico del lavoro speso per costringere il fluido a seguire il ciclo.
Una termopompa ha lo scopo di utilizzare la quantità di calore Q1 che il fluido cede nel condensatore. L'effetto utile riscaldante è dato da:
Risulta quindi che, per un fluido che descriva un ciclo di Carnot, perché sia massimo l'effetto utile riscaldante occorre che sia massimo l'effetto utile refrigerante, cioè che la differenza fra le temperature estreme di funzionamento T1 − T2 sia minima.
Le termopompe trovano pertanto utile impiego quando i fluidi o i corpi a cui si deve sottrarre il calore si trovano a temperatura T2 non molto inferiore a quella dell'ambiente da riscaldare, specialmente quando la quantità di calore che si sottrae a tali fluidi o corpi non trovi alcun altro utile impiego. D'altra parte, perché la differenza T1 − T2 si mantenga piccola, occorre pure che la temperatura T1 sia quella più bassa compatibile con la cessione di calore all'ambiente da riscaldare; tra i varî tipi d'impianti di riscaldamento da abbinare ad una termopompa, conviene perciò in modo particolare l'adozione di quello a pannelli radianti (v. riscaldamento, in questa App.), per cui la temperatura superiore di esercizio T1 (40° ÷ 50°C) è più bassa che non per i cosiddetti tipi a radiatori.
Poiché dalla [2] si ha per il calore ceduto da una termopompa:
Q1 = AL • {T1/(T1-T2)}
mentre per una caldaia elettrica che sfrutti l'effetto Joule si ha: Q1 = AL, ne risulta che per un kWh speso, mentre una caldaia elettrica può fornire al massimo 860 Cal., pari all'equivalente termico del lavoro speso, una termopompa può invece fornire una quantità di calore pari a 860 • [T1/(T1-T2)] Cal. per ogni kWh. Il rapporto T1/(T1-T2) dà quindi un'idea immediata dell'efficienza maggiore di esercizio che le termopompe presentano rispetto alle caldaie elettriche.
Tenuto conto dei diversi valori della differenza T1 - T2, legata alle necessità d'impiego e di ambiente, si hanno per le termopompe i seguenti effetti utili riscaldanti medî:
Le termopompe, al pari delle macchine refrigeranti, nella loro realizzazione tecnica impiegano fluidi (in generale vapori saturi) con cicli di funzionamento che si discostano alquanto dal ciclo di Carnot.
Sono per lo più usati gli stessi fluidi che si adoperano nelle macchine refrigeranti; è stato però anche tentato l'impiego di aria come fluido addetto al trasporto del calore dall'ambiente a bassa temperatura a quello a temperatura superiore. Con tale sistema l'aria viene direttamente aspirata dall'ambiente esterno, compressa e mandata in uno scambiatore in cui cede calore all'ambiente da riscaldare: in seguito, l'aria si espande in una turbina di ricupero, utilizzata per concorrere ad azionare il compressore. Poiché il ciclo si discosta notevolmente da quello teorico di massimo effetto utile, il sistema ha trovato applicazione soprattutto per piccoli impianti, malgrado la comodità offerta dall'impiego dell'aria come fluido adibito al trasporto del calore.
Le termopompe possono funzionare anche nei periodi estivi come macchine refrigeranti per il condizionamento dell'aria negli ambienti; la potenza occorrente durante il periodo estivo è inferiore in tal caso a quella del periodo invernale. Ad evitare perciò di far funzionare la macchina in estate a potenza ridotta, con conseguente diminuzione dell'effetto utile refrigerante, si diminuisce la potenza fornita dalla termopompa in inverno adattandola a quella estiva e supplendo con una caldaia alle deficienze del periodo di riscaldamento.
Per quanto riguarda il riscaldamento degli ambienti, l'impiego delle termopompe riduce dalle tre alle otto volte le spese di esercizio necessarie per le caldaie elettriche e può risultare più economico dell'impiego di caldaie a combustibile, a seconda del costo della materia prima. Le spese di primo impianto sono però in generale più elevate, tanto che tale fattore impone a tutt'oggi un'accorta analisi delle spese occorrenti per un impianto con termopompa, prima di preferirlo agli altri tipi.
Mentre in Europa sono stati realizzati soprattutto impianti di potenza rilevante, in America invece l'uso delle termopompe si è diffuso per i piccoli e medî impianti. Di recente (1946) alcune ditte americane hanno iniziato la produzione in serie di piccoli impianti, di potenza 3; 5; 7,5; 10 CV, adatti al condizionamento d'aria, estivo ed invernale, per case di abitazione e locali pubblici, che sfruttano l'atmosfera come sorgente di calore.
Bibl.: Die Wärmepumpe in der Energiewirtschaft, Numero speciale della rivista Elektrizitäts Verwertung, ottobre-dicembre 1943; G. B. Zanetti, Le pompe di calore, in Aerotecnica Marelli, Milano, marzo 1947; A. Houbrechts, Nouveax aspects du problème de la production de la chaleur, VII Congrès international du chauffage et de la ventilation, Parigi, Settembre 1947, p. 19; F. Sporn, Heat pump, New York; C. Boileau, Le chauffage thermodynamique, Parigi 1947.