Tradizionalmente, tutti i modi per produrre calore che conosciamo sono basati sulla combustione di una sostanza la cui energia chimica viene convertita in energia cinetica (ovvero calore). Nelle automobili questo calore a sua volta viene convertito in energia meccanica, mentre nelle centrali termoelettriche esiste un ulteriore passaggio che converte l'energia meccanica delle turbine in energia elettrica. Considerato che ciascun passaggio di stato dell'energia ne comporta una dissipazione di almeno la metà, si capisce bene che più passaggi di stato ci sono e meno conveniente sarà il processo, con rendimenti a volte imbarazzanti.

Come funziona

La pompa di calore non utilizza nessun combustibile, quindi come fa a scaldare l'aria? Semplicemente, preleva il calore da una sorgente (che può essere l'aria esterna, ma anche un corpo d'acqua o perfino il sottosuolo) e lo porta in casa, anche se la sorgente dovesse essere più fredda rispetto alla temperatura interna all'abitazione.

Se vi sembra incredibile che possa avvenire un fenomeno di questo tipo, ecco la spiegazione:

Il freddo non è ne una sostanza ne una proprietà della materia. Allo zero assoluto (-273,16°C) non si muove nessuna molecola. Mano a mano che l'ambiente si scalda l'energia cinetica delle molecole aumenta e la “temperatura” (che non è altro che la sensazione attraverso la quale il nostro corpo percepisce l'aumento di energia cinetica) è maggiore. Questo significa che quando un corpo è “freddo” in realtà possiede un suo calore, che però è molto meno rispetto a quello contenuto in un corpo “caldo”. A questo punto entrano in gioco le proprietà dei gas. Se comprimo un gas che è a temperatura ambiente questo si scalderà (perché le molecole che lo compongono, stando in meno spazio, si urteranno maggiormente), mentre se lo decomprimo si raffredderà.

Supponiamo a questo punto che io abbia una casa con un terrazzo o giardino e che la temperatura esterna sia 5°c mentre quella interna è 15°c.

La mia pompa di calore lavorerà nella parte esterna per espandere il gas del suo circuito in modo che si raffreddi a 0°c, e che quindi la temperatura sia inferiore rispetto al giardino (che è a 5°c). In queste condizioni il calore maggiore dell'aria del giardino verrà risucchiato nel circuito.

A quel punto il gas a 5°c verrà compresso fortemente nella parte del circuito interna alla casa arrivando a 25°c, e cedendo quindi il calore alla casa, che è a 15°c.

Aumentando la compressione del gas potrò poi ottenere temperature anche superiori.

In tutto questo quindi, emergono due semplici considerazioni:

1. Non esiste nessun passaggio di stato dell'energia (abbiamo solo spostato energia cinetica da un fluido in un luogo a un altro fluido in un altro luogo), quindi il rendimento è altissimo.

2. La sola energia elettrica spesa è quella necessaria a comprimere e decomprimere il gas (e quindi energia meccanica).

Come sfruttarla al meglio

Su questo ragionamento di base si innesta una ulteriore osservazione: lo scambio di calore tra gas e gas (aria casa-gas e gas-aria esterna) non è normalmente molto rapido. E' più efficiente prelevare il calore dall'acqua, se questa è disponibile e ha una temperatura superiore all'aria. Ma dove la trovo?

Diverse aziende propongono di ricorrere a tre possibili soluzioni:

1)Fare un buco per terra (fino a 200m in profondità) e infilarci una tubazione a “U”che scambia il calore con l'acqua di falda, che rimane a una temperatura praticamente costante di 15°c per tutto l'anno. Questo espediente si chiama “sonda geotermica” e come potrete immaginare non è sempre praticabile (ci sono le aree con vincolo idrogeologico, i suoli poveri con roccia madre granitica ecc..). Inoltre l'operazione comporta un forte investimento, che può essere ripagato solo se vi trovate in zone con temperature invernali estremamente fredde (sotto lo zero per buona parte dell'inverno, per intenderci...).

2)Scambiare il calore con una raccolta d'acqua, quale può essere un lago (come quello di Bracciano, per esempio, sempre che vi diano l'autorizzazione...), oppure con la piscina di casa.

3)Integrare la pompa di calore con altri sistemi di riscaldamento più “verdi”. Infatti, sostituendo l'aria fredda del giardino con l'acqua riscaldata da un pannello solare termico, posso incrementare ulteriormente la potenza (e l'efficienza) del dispositivo. Per esempio, se d'inverno la temperatura dell'acqua calda generata dai pannelli solari non è sufficiente a garantire un riscaldamento adeguato (supponiamo che non superi i 25°c), la connessione con un sistema a pompa di calore potrà aumentare l'energia disponibile, perché la pompa cattura l'energia dell'acqua, la trasferisce al gas e comprimendolo lo scalda ulteriormente.

L'importante è disporre nelle vicinanze di acqua a una temperatura “conveniente” per fare da scambiatore di calore.

C'è però un altro aspetto da non sottovalutare: per la pompa di calore diventa molto sconveniente lavorare quando il salto di temperatura tra “prima” e “dopo” la compressione è eccessivo.Questo significa che scaldare una casa con un piccolo getto a 50°c sarebbe molto più oneroso che con un grosso sistema di serpentine affogate nel pavimento, ma a 28°c. Perciò, se vogliamo avere una pompa di calore veramente “verde” la cosa migliore è integrarla in una casa in costruzione o in corso di ristrutturazione, pena il costo eccessivo dell'intervento.

Sorpresi da tutte queste possibilità? Quando ho approfondito l'argomento lo sono rimasto anch'io.

Essendo convinto che presto il gas (a causa dei crediti di carbonio) e l'elettricità (per lo stesso motivo e per la riduzione delle scorte di petrolio) diventeranno molto costosi, credo che si debba investire sulle pompe di calore, smettendola di considerarle dei frigoriferi e valorizzando invece il loro lato “calorico”.

Se poi si integrano in una casa quando la si costruisce, lavorando anche sulle opportunità di integrazione possono farci dire addio al metano/gpl, che non sarebbe poco.

Ah, a proposito, i disegni li ho fatti io, con inkscape.

http://www.flickr.com/photos/clintjcl/232294646/