Di solito per riscaldare gli ambienti si sfrutta la combustione di idrocarburi, come gasolio o metano, con conseguente emissione di biossido di carbonio e altri gas, anche nocivi. Da diversi anni, per rendere più economico il riscaldamento degli edifici si sono studiate, oltre a migliori tecniche di isolamento termico, anche soluzioni più efficaci per le macchina termiche sfruttate per il riscaldamento. Sono così tornate d’attualità le osservazioni effettuate nel 1852 dal fisico inglese William Thompson (poi nominato Lord Kelvin per meriti scientifici), il primo a descrivere il ciclo termico della pompa di calore e intuirne le potenzialità economiche.
La sua idea consiste nel riscaldare l’aria interna all’edificio (che ha una temperatura più elevata) mediante il raffreddamento dell’aria esterna (che ha una temperatura inferiore).
Il nome “pompa di calore” è collegato all’idea di cedere calore a una temperatura più elevata di quella alla quale è stato prelevato. Nel suo funzionamento essa si comporta come le macchine frigorifere con il compressore posto nei locali interni e la serpentina dell’evaporatore situata all’esterno. Il vantaggio del suo uso, rispetto a un sistema di riscaldamento tradizionale, è contenuto del diagramma mostrato sotto:
alla sorgente calda (la stanza) giunge una quantità di calore il cui valore assoluto è:
dove Q1 è il calore (questa volta positivo) che la pompa riceve dalla sorgente fredda e W(e) è il lavoro esterno (positivo) compiuto dal motore, tipicamente elettrico, contenuto nella pompa. Se avessimo fornito la stessa quantità di energia esterna W(e) mediante combustibili o l’uso di energia elettrica, la stanza avrebbe ricevuto una quantità di calore:
Quindi l’uso della pompa di calore implica un vantaggio che è descritto matematicamente dal rapporto K (detto coefficiente di guadagno) tra la quantità di calore |Q2| che giunge a riscaldare l’interno e il lavoro W(e) necessario per ottenere tale riscaldamento:
Quindi una pompa di calore ideale è costituita da una macchina reversibile (e che funziona nel senso inverso) che lavora tra le temperature T1 e T2 (con T1 < T2) con un coefficiente di guadagno dato da:
La pompa di calore risulta quindi più adatta per i climi temperati nei quali è minore lo sbalzo di temperatura fra interno ed esterno, mentre nei climi più rigidi è utilizzata spesso in combinazione con i sistemi tradizionali, che forniscono il surplus di energia richiesto nei giorni più freddi.
Una buona pompa di calore reale può avere un valore di K pari a 5 o 6: per ogni joule di energia fornita dall’esterno (cioè pagata dal gestore dell’edificio) si ottiene un riscaldamento di 5 o 6 J. Inoltre, in una pompa di calore è possibile invertire la direzione del funzionamento. In questo modo si obbliga il fluido a scorrere nella direzione opposta rispetto all’inverno. Così il calore è assorbito dall’ambiente freddo, che è la casa che si vuole raffreddare, ed è ceduto all’ambiente caldo, cioè l’esterno. Quindi la pompa di calore funziona anche come condizionatore.
L’economicità e la compatibilità ambientale del sistema sono notevoli a parità di prestazioni, anche tenendo conto delle dispersioni di energia nella centrale e nelle linee elettriche.
Una pompa di calore fa risparmiare il 35% di combustibile rispetto ad un modello tradizionale per riscaldamento; quindi, riduce della stessa percentuale le emissioni nocive nell’atmosfera.
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