Come funzionano le pompe di calore?

Le pompe di calore vengono pubblicizzate come un’opzione rispettosa del clima per mantenere le case calde mentre le persone cercano alternative al petrolio e al gas. DW spiega i misteri dietro di loro.

Circa la metà delle case tedesche sono riscaldate a gas naturale e un quarto a gasolio. Mentre il Paese abbandona i combustibili fossili di fronte alla crisi climatica, molti sono alla ricerca di alternative.

Le pompe di calore sono una tecnologia ampiamente discussa. Ma come funzionano esattamente?

Una pompa di calore estrae calore dall’aria esterna, dal suolo o da una fonte d’acqua vicina per generare calore utilizzando qualcosa chiamato raffreddamento evaporativo. Saprai quanto è soddisfacente mettere un panno freddo sulla pelle quando fa caldo. È lo stesso effetto. L'acqua fredda evapora, diventa gassosa e si raffredda.

Ecco la scienza dietro: la transizione dall'acqua al vapore richiede molta energia. Per cambiare stato, le molecole d'acqua assorbono l'energia dall'ambiente circostante, in questo caso dalla pelle calda. Questo processo determina l’effetto di raffreddamento. Al contrario, gran parte di questa energia viene rilasciata sotto forma di calore nell’aria una volta che l’acqua evaporata diventa nuovamente liquida.

Pompe di calore, frigoriferi e condizionatori sfruttano tutte queste transizioni. I frigoriferi si raffreddano all'interno e si riscaldano all'esterno. Per le pompe di calore è il contrario.

Nel caso delle pompe di calore, uno speciale refrigerante circola in un sistema di tubazioni chiuso. I refrigeranti evaporano a temperature molto basse, a volte inferiori a meno 50 gradi Celsius (meno 58 Fahrenheit).

Il calore proveniente dal suolo o dall'aria, ad esempio, riscalda il refrigerante, che poi evapora nel circuito. Un compressore comprime insieme le molecole del gas refrigerante, aumentandone ulteriormente la temperatura. Quando poi si liquefa nuovamente, rilascia il calore extra nel sistema di riscaldamento. Ciò significa che le pompe di calore possono essere utilizzate per riscaldare o raffreddare una casa, un ufficio o qualsiasi altro spazio interno.

Sebbene esistano diversi tipi di pompe di calore, funzionano tutte secondo lo stesso principio di estrazione dell'energia termica dall'ambiente.

Le pompe di calore ad acqua possono utilizzare l'acqua freatica o quella proveniente da fiumi o laghi. Quelli ad aria funzionano con aria normale aspirata dall'esterno o con aria di scarico calda prodotta in siti industriali o data center.

Per le pompe di calore geotermiche, le sonde vengono perforate a 100 metri (328 piedi) o più nel terreno, a seconda della densità della roccia. Più il pozzo è profondo nel terreno, più caldo diventa.

Le pompe di calore ad acqua sotterranea sono più efficienti, ma anche più costose. La varietà con fonte d'aria funziona quasi ovunque ma può essere rumorosa.

Nel processo di riscaldamento di un edificio, le pompe di calore possono raffreddare l’acqua sotterranea di 4 gradi o ridurre la temperatura dell’aria circostante di 10 gradi.

Anche nelle fredde giornate invernali nel sottosuolo, nell'aria o nelle falde acquifere c'è abbastanza energia termica per riscaldare un edificio. In Scandinavia, ad esempio, molte persone si riscaldano con pompe di calore ad aria anche durante gli inverni rigidi. Questi estraggono energia termica dall'aria a temperature fino a meno 20 gradi Celsius.

Tuttavia, richiedono più energia per funzionare al freddo e funzionano meglio quando fa più caldo. Le pompe di calore sono inoltre dotate di resistenze riscaldanti che utilizzano l’elettricità, come riserva.

Sebbene la maggior parte dell’energia provenga dall’ambiente, i dispositivi richiedono energia aggiuntiva per far funzionare il motore elettrico del compressore, delle pompe e dei ventilatori. In buone condizioni, un kilowattora di elettricità può generare circa sei kilowattora di calore. Un appartamento isolato di 80 metri quadrati necessita di meno di 1.000 kilowattora di elettricità all’anno.

Le pompe di calore sono più efficienti nei nuovi edifici isolati, soprattutto quelli con riscaldamento a pavimento e radiatori di grandi dimensioni. Secondo uno studio dell’Istituto Fraunhofer per i sistemi di energia solare di Friburgo, nelle case più vecchie in Germania, le pompe di calore ad aria generano circa tre kilowattora di calore da un kilowattora di elettricità. Utilizzando l’acqua sotterranea come fonte di energia si è generata, in media, una quantità di calore quattro volte superiore.