Di Jeremy Cook
Il riscaldamento elettrico resistivo, in cui una corrente passa attraverso un mezzo elettricamente resistivo, disperdendo energia sotto forma di calore, è il metodo più semplice per garantire riscaldamento tramite l'elettricità. Di fatto, questa dispersione di calore è connaturata ai processi elettrici ed è solitamente un'inefficienza da evitare e/o gestire con dispositivi come dissipatori di calore e ventole di raffreddamento.
Nel caso del riscaldamento resistivo, questa inefficienza (il calore) è il prodotto, che rende teoricamente efficiente al 100% questo metodo di riscaldamento in base alla produzione/assorbimento di energia.
Sfortunatamente, l'efficienza del 100% non è sufficiente per rendere pratico il riscaldamento elettrico di case ed edifici rispetto al riscaldamento tramite combustibili fossili. Esiste però un'altra soluzione: la pompa di calore elettrica. Invece di convertire l'energia elettrica direttamente in energia termica, le pompe di calore assorbono e trasportano il calore da un'area (cioè l'esterno) e lo pompano negli ambienti interni, moltiplicando la produzione di calore rispetto all'energia elettrica assorbita. L'efficienza delle pompe di calore e il risparmio in termini di costi rispetto al riscaldamento elettrico resistivo possono essere piuttosto interessanti.
Prestazioni e funzionamento delle pompe di calore
Le prestazioni di una pompa di calore vengono misurate dal coefficiente di prestazione (COP) del sistema, espresso dall'equazione: lavoro impiegato x COP = produzione di calore.
Mentre il COP di una serpentina di riscaldamento resistivo è pari a 1, le pompe di calore possono raggiungere un COP di 2 o 3 (o anche superiore, a seconda della progettazione e delle condizioni termiche). È sufficiente dividere la produzione di calore per il COP per ottenere l'apporto di energia necessario e normalmente si tratta di una frazione dell'apporto energetico necessario per ottenere un riscaldamento resistivo equivalente.
Il trasporto dell'energia della pompa di calore viene effettuato tramite un ciclo termico, utilizzando un fluido a basso punto di ebollizione (un refrigerante) all'interno del circuito della pompa di calore. Si tratta dello stesso ciclo termico in base al quale un frigorifero pompa il calore fuori da uno spazio circoscritto per mantenere il cibo freddo, ma al contrario.
Semplificando, il processo per un dispositivo di riscaldamento interno è il seguente:
1. Un fluido termico a basso punto di ebollizione (ad esempio, un refrigerante) esce dal compressore sotto forma di vapore surriscaldato ad alta pressione e ad alta temperatura.
2. Il fluido entra nello scambiatore di calore interno. Il fluido cede la propria energia che viene aggiunta all'aria dell'ambiente interno sotto forma di calore (con un flusso d'aria forzato tramite una ventola), provocando la condensazione del fluido in un liquido ad alta pressione, leggermente più freddo.
3. La valvola di espansione trasforma il fluido in una miscela liquido/vapore a bassa temperatura e bassa pressione.
4. Il fluido entra nello scambiatore di calore esterno. Al fluido viene aggiunta dell'energia proveniente dall'esterno (con un flusso d'aria forzato tramite una ventola), provocandone l'evaporazione. Il fluido esce dallo scambiatore di calore sotto forma di vapore leggermente surriscaldato a bassa pressione e bassa temperatura.
5. Il fluido entra nel compressore, trasformandosi in un vapore surriscaldato ad alta temperatura e ad alta pressione, ricominciando il ciclo da capo.
Il concetto chiave di questo ciclo è che l'energia viene dispersa nell'ambiente nella fase 2, riscaldando lo spazio interno, mentre viene assorbita dall'esterno nella fase 4 e trasportata all'interno. Lo stesso ciclo viene eseguito al contrario per raffreddare gli spazi interni tramite un condizionatore d'aria.
I refrigeranti solitamente hanno punti di ebollizione ben al di sotto di 0º (F o C). L'R410A, ad esempio, ha un punto di ebollizione di -48,5 ºC (-55,3 ºF). La chiave di questo ciclo è che è necessaria una grande quantità di energia per far bollire un fluido e viene rilasciata una grande quantità di energia al momento della condensazione.
I progressi delle moderne pompe di calore
Il concetto generale di pompa di calore è noto da circa due secoli e da molti decenni viene utilizzato nei climi più temperati per il riscaldamento di case ed edifici. Fino a poco tempo fa, tuttavia, l'utilizzo delle pompe di calore era poco funzionale nei climi più freddi come gli Stati Uniti settentrionali e il Canada. I recenti progressi stanno modificando questa limitazione.
I refrigeranti ad alte prestazioni con punti di ebollizione molto bassi (ad esempio, il punto di ebollizione di -55,3 °C dell'R410A) consentono il funzionamento alle basse temperature e la migliore progettazione degli scambiatori di calore facilita la raccolta di una maggiore quantità di calore dall'esterno.
I compressori a velocità variabile che utilizzano driver motore avanzati consentono alle apparecchiature di riscaldamento di accelerare e rallentare il funzionamento secondo necessità, invece di essere completamente accese o spente.
I gate driver IGBT migliorati e persino i dispositivi basati sul carburo di silicio, insieme ai prodotti di rilevamento della corrente che consentono il controllo a circuito chiuso e la manutenzione predittiva avanzata delle pompe di calore, contribuiranno ai progressi di questa tecnologia in futuro. Altri componenti, come magneti e induttori avanzati, e persino connettori, possono aiutare gli scambiatori di calore a funzionare con la massima efficienza con una notevole affidabilità a lungo termine.
Possibilità future delle pompe di calore
Questo articolo analizza le pompe di calore per il riscaldamento di spazi interni con aria esterna, ma i dispositivi per il riscaldamento dell'acqua a pompa di calore sono in grado di sfruttare la stessa tecnologia. Questi concetti possono anche essere implementati utilizzando uno scambiatore di calore sotterraneo all'interno di una configurazione con pompa di calore geotermica, sfruttando le temperature pressoché uniformi della terra per creare una fonte di energia più facilmente disponibile rispetto a quella fornita dall'aria esterna più fredda. Le pompe di calore potrebbero essere impiegate anche per processi industriali, sostituendo i combustibili fossili o le opzioni resistive.
Considerati i loro vantaggi e l'attuale spinta verso la riduzione dei combustibili fossili, è prevedibile che vedremo presto un maggiore utilizzo degli scambiatori di calore per il riscaldamento. Con miglioramenti alla progettazione elettrica e meccanica, possiamo anche aspettarci una maggiore efficienza da parte di queste unità e ciò le renderà un'opzione ancora più attraente nei prossimi anni.
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