I gravi problemi energetici dell'ultimo ventennio indotti dall'instabilità politica di molti paesi produttori, dalle fluttuazioni della moneta di riferimento: il dollaro, dai pressanti problemi di inquinamento ambientale di ogni città anche di media dimensione in ogni parte del mondo, hanno o meglio, avrebbero dovuto rivoluzionare il nostro modo di pensare e di agire.

In soccorso al nostro sciocco modo di usare l'energia disponibile, arriva una tecnologia basata su di un principio noto ai fisici da oltre un secolo: si tratta della POMPA DI CALORE e del principio di Carnot enunciato da Lord Kelvin in una sua relazione alla Philosofical Society di Glasgow nel 1852, nella quale si prevedeva di utilizzare una macchina per raffreddare e riscaldare un ambiente.

Il principio fu "riesumato" nel dopoguerra dalla nascente industria frigorifera.

Oggi il 95% delle famiglie italiane possiede un esempio pratico del ciclo di Carnot (frigorifero, condizionatore o congelatore) e nessuno mai si è sognato di discuterne l'affidabilità o la validità; mentre diverso atteggiamento si ha nei confronti della pompa di calore (null'altro che un frigorifero reverso) verso la quale esiste ancora poca dimestichezza e non solo da parte del "privato", ma anche da parte di molti progettisti termotecnici, installatore e addetti ai lavori in genere.

La pompa di calore potrebbe essere applicata su vastissima scala sia per la produzione di acqua calda che per la climatizzazione degli ambienti, come del resto accade diffusamente in Giappone, negli Stati Uniti e nei Paesi del Nord Europa, utilizzando fonti di energia largamente disponibili in natura quali aria esterna, acqua di falde, fiumi, calore diffuso nel terreno, ovvero energia solare oppure sfridi di calore da processi produttivi industriali.

Il lavoro meccanico prodotto dalla macchina permette di elevare le temperature dei fluidi citati a livelli più alti (50-55 centigradi), abbondantemente sufficienti per le applicazioni citate.

Un processo di recupero energetico di tal genere è altamente remunerativo poiché la quantità di energia che si riesce a recuperare dai fluidi gratuiti (aria, acqua, terra...) è assai superiore (circa 3 - 3,5 volte) al lavoro meccanico svolto dal compressore, ovvero all'energia elettrica spesa per farlo funzionare.

Tale principio, già razionale sotto l'aspetto fisico, diventa anche attuale sul piano industriale ed economico, considerando l'andamento delle quotazioni dei prodotti petroliferi sul mercato internazionale.

Tutto ciò è ancor più grave analizzando la situazione italiana ove la quotazione del petrolio risente da un lato, di continue fluttuazioni del dollaro e dall'altro, dell'atteggiamento fiscale giuridicamente punitivo nei confronti dei combustibili fossili.

Analizziamo ora nel dettaglio il funzionamento della pompa di calore. Essa si compone essenzialmente di un circuito sigillato all'interno, nel quale un gas, normalmente Freon R22, compie un intero ciclo termodinamico, detto di Carnot, che consiste in pratica in una compressione quasi adiabatica (a volume praticamente costante) avvenendo in un compressore volumetrico di tipo ermetico. Il motore elettrico di trascinamento e il compressore sono inglobati in un unico contenitore ermetico, completamente isolato termicamente, in modo da ridurre le dispersioni di calore verso l'esterno; naturalmente il contenitore ermetico contiene anche l'olio per la lubrificazione del compressore medesimo. Durante la prima fase del ciclo, detta compressione, il freon aumenta di pressione e di temperatura con un incremento del proprio contenuto entalpico; nella seconda fase il freon attraversa uno scambiatore, detto condensatore, nel quale viene a contatto con l'acqua o l'aria, cedendo loro in contro corrente il calore immagazzinato nelle due fasi precedenti. L'acqua o l'aria così riscaldate sono utilizzate come fluido vettore per il riscaldamento di locali o di acqua sanitaria. Nella terza fase del ciclo termodinamico, il freon attraversa una valvola di espansione ove subisce un processo di "laminazione" e una conseguente riduzione di pressione e quindi un calo della temperatura. Questo cambiamento di stato da gas a liquido è utilizzato nell'evaporazione (quarta fase) dove il freon si troverà a temperature molto basse, tali da permettergli di assorbire calore dal fluido vettore esterno apportatore di energia. Nel caso questo sia aria, essa viene aspirata a temperatura ambiente e convogliata sull'evaporazione mediante un ventilatore, preferibilmente assiale. L'aria viene così raffreddata di 4 - 6 centigradi ed espulsa, mentre il freon ne assorbe il calore evaporando nuovamente e torna al compressore per riprendere il ciclo descritto.

Riassumendo:

Ora esaminiamo il rapporto tra la quantità di calore ceduto nel condensatore e la quantità di calore spesa in lavoro meccanico, ovvero quantità di energia elettrica consumata per il funzionamento del compressore. Tale rapporto viene chiamato COP (Coefficient of Performance) e dipende dalle temperature di evaporazione e di condensazione e dalla qualità intrinseca della macchina. Valori normali sono compresi fra 2,5 - 3,5.

Tale parametro permette di ottenere un costo specifico medio per unità di calore prodotto che è metà di quello di un impianto tradizionale con caldaia funzionante a gasolio e del 30% in meno con caldaia a gas metano.

In altri termini, se in una unità immobiliare monofamiliare il costo di riscaldamento con gasolio fosse di 5 milioni per stagione, con gas metano sarebbe di 3,5 - 4 milioni, mentre con una pompa di calore potrebbe ridursi a 2,5 - 3 milioni. Inoltre, utilizzando una pompa di calore per il riscaldamento degli ambienti si può contestualmente avere il condizionamento e la deumidificazione, sempre con la stessa macchina e con un trascurabile aumento di prezzo dovendo equipaggiare la medesima solamente con una valvola di inversione del ciclo di Carnot.

Altra applicazione della pompa di calore è il riscaldamento dell'acqua calda sanitaria; si trovano in commercio pompe di calore con boiler incorporato nel quale è immerso il condensatore della macchina che si presenta come un normale serpentino di rame. Di solito questo tipo di boiler a pompa di calore viene installato in un vano caldaia, in un box auto o in ambienti di servizio che si possono lievemente refrigerare utilizzando l'energia contenuta nell'aria per riscaldare l'acqua sanitaria contenuta nel boiler.

Altra applicazione è il riscaldamento dell'acqua di piscine. Nelle zone dell'Italia settentrionale l'utilizzo delle piscine coperte è ridotto a due - tre mesi l'anno. per prolungare il periodo di utilizzo spesso si decide di incrementare di qualche grado la temperatura dell'acqua con una caldaia a combustibili con elevati costi di gestione. Identica prestazione si potrebbe ottenere con una pompa di calore ma con costi di gestione ridotti anche del 70% poiché il COP risultante potrebbe raggiungere anche un valore di 4 in quanto la differenza tra temperatura di evaporazione e di condensazione risulta molto inferiore ad una applicazione normale.

Altra applicazione è il recupero di calore da processi produttivi industriali, calore che verrebbe comunque disperso e che si potrebbe utilizzare riducendo la potenza installata e i relativi costi di gestione; pertanto il maggior costo iniziale dell'impianto a pompa di calore potrebbe essere ammortizzato in un periodo di 4 - 5 anni nei casi meno vantaggiosi (climatizzazioni degli ambienti) e di 2 anni nei casi più eclatanti.