Come fa una pompa di calore a dare più calore dell'elettricità che consuma?

Calore dal nulla?

Questa scatola sembra creare calore dal nulla. Entra un'unità di elettricità, ed escono circa tre unità di calore. Ma nulla si crea: l'energia mancante è in bella vista, nell'aria fredda fuori casa. Segui il fluido per un giro in quattro componenti, e il mistero sparisce.

Stufe che producono calore

Partiamo dalla stufa che tutti conoscono. Una stufetta elettrica manda corrente in un filo resistivo, che la trasforma in calore. Entra una, esce una di calore, e il filo non può dare di più. Una caldaia a gas brucia combustibile, e non rende mai più della sua energia.

Entrambe producono calore. Una pompa di calore sposta soprattutto calore già esistente.

Anche l'aria fredda contiene calore

Tutto ciò che supera lo zero assoluto contiene energia termica. Lo zero assoluto è circa duecentosettantatré gradi sotto zero. Quindi l'aria a zero gradi, che gela le mani, è molto sopra quel fondo. Ma il calore, spontaneamente, va solo dal caldo al freddo.

Per portarlo dal freddo esterno a una stanza calda, va spinto in salita. Quella spinta è ciò che l'elettricità paga davvero.

Un liquido che bolle sotto zero

Il fluido che circola nella pompa si chiama refrigerante. Si sceglie perché bolle sotto lo zero. Un refrigerante comune, R trentadue, bolle a circa cinquantadue gradi sotto zero a pressione atmosferica. Bollire assorbe calore, come acqua che bolle prende energia dal fornello senza scaldarsi.

Se nella batteria esterna il refrigerante è più freddo dell'aria, bolle e le toglie calore. Un ventilatore spinge aria esterna sulla batteria.

Il compressore

Ora è vapore freddo a bassa pressione, carico di quel calore. Nel compressore lavora l'elettricità. Comprime il vapore, e quel lavoro ne alza pressione e temperatura. Uscendo, il vapore è più caldo della stanza da scaldare.

È la spinta in salita, fatta con lavoro elettrico.

Il calore esce in casa

Il vapore caldo va alla batteria interna. Più caldo dell'aria della stanza, cede calore da solo. Cedendo calore, si condensa in liquido. Un ventilatore o un circuito d'acqua porta il calore nelle stanze, tramite bocchette, radiatori o pavimento.

La valvola di espansione

Il liquido è ancora ad alta pressione: manca un ultimo passaggio. Una valvola di espansione lo fa passare da una fessura alla bassa pressione. Il brusco calo di pressione lo raffredda molto. Di nuovo freddo, torna alla batteria esterna, più freddo dell'aria.

E il ciclo riparte finché l'impianto va.

Da dove vengono le tre unità

Ora i conti tornano. Di ogni tre unità di calore consegnate in casa, una è entrata come elettricità nel compressore. Le altre due vengono dall'aria esterna, nella batteria fredda. Il rapporto tra calore e lavoro elettrico si chiama coefficiente di prestazione, o COP.

Il nostro esempio ha COP tre. Per l'Agenzia Internazionale dell'Energia, una pompa domestica tipica ha un COP di circa quattro. Nessuna energia si crea. L'elettricità compra trasporto, e trasportare costa meno che creare.

Perché il rapporto ha un tetto

Ma il rapporto ha un limite. La fisica fissa un tetto con due temperature: origine e destinazione del calore. Per una pompa perfetta e reversibile, il tetto è la temperatura calda divisa per il salto termico, misurando dallo zero assoluto.

In un caso da manuale, zero fuori e venti dentro, il tetto ideale è circa quattordici virgola sette. Con dieci gradi fuori, quasi raddoppia: circa ventinove. Le macchine reali stanno molto sotto: le batterie richiedono un salto in più per muovere calore in fretta, e compressore e ventilatori perdono energia. La lezione utile è la forma della formula.

Più ampio il salto, più basso il tetto.

I giorni più freddi

E il salto è massimo proprio quando serve più calore. Col freddo la pompa ad aria alza di più il calore e il COP cala. Un commento del duemilaventitré sulla rivista Joule raccolse circa duemilasettecento misure da circa cinquecentocinquanta pompe, in sette studi tra Europa, Nord America e Cina.

Tra cinque e meno dieci gradi, il COP medio fu due virgola settantaquattro. In quella fascia, ogni studio ebbe in media almeno due virgola quattro. Due modelli per climi freddi furono provati in Finlandia a meno trenta. Uno dava da una e mezza a due unità di calore per unità elettrica, l'altro da una a una e mezza.

C'è un altro costo invernale. Vicino allo zero la batteria esterna può brinare, e sbrinarla costa energia. Molti sistemi ad aria hanno una riserva per il gran freddo, e se elettrica, è come il filo iniziale: uno dentro, uno fuori.

Negli studi, si accendeva di solito solo sotto circa meno dieci.

I paesi freddi le usano già

Il freddo non ha fermato la diffusione. Per l'Agenzia, circa il sessanta per cento degli edifici norvegesi ha pompe di calore. In Svezia e Finlandia, oltre il quaranta. Lì scaldarsi in inverno non è un optional.

Conta la temperatura interna

L'altro capo del salto è dentro casa. Molti vecchi impianti usano acqua tra sessanta e settanta gradi. Una pompa che dà acqua così calda alza di più il calore, e rende meno. Per questo si ingrandiscono i radiatori, si posa il pavimento radiante o si isola.

Una casa ben isolata resta calda con mandata più bassa, e il salto si stringe da dentro.

L'efficienza non è la bolletta

Un COP alto non significa per forza bollette più basse. La bolletta dipende dal calore richiesto, dal COP di tutta la stagione, e dal prezzo elettrico rispetto al combustibile sostituito. Esempio dal Dipartimento americano dell'Energia.

Una pompa con COP stagionale tre, al posto di una caldaia che rende in calore ottanta per cento del gas, è tre virgola settantacinque volte più efficiente. Conviene finché, a pari energia, la corrente costa meno di circa tre virgola settantacinque volte il gas. Oltre quella soglia, la pompa può costare di più, pur consumando molto meno energia.

L'installazione è l'altra barriera. Per l'Agenzia, persino le pompe aria acqua più economiche costano da due a quattro volte una caldaia a gas, in quasi tutti i grandi mercati, prima degli incentivi. Contano le perdite: certi refrigeranti sono potenti gas serra.

Eppure, per l'Agenzia, coi refrigeranti attuali una pompa taglia le emissioni almeno del venti per cento rispetto al gas, fino all'ottanta con elettricità più pulita.

Due eccezioni

Non tutte le pompe usano l'aria. Le geotermiche e ad acqua sfruttano suolo, falda o fiumi, in inverno di solito più caldi dell'aria. Col salto minore il COP sale, e niente sbrinamento. Lo svantaggio è il costo: serve un pozzo profondo o molti tubi interrati.

La stessa macchina va anche al contrario. Una valvola a quattro vie inverte le batterie: in estate quella interna raccoglie calore e quella esterna lo cede, come un condizionatore.

Quattro condizioni da verificare

La scatola non viola la fisica. Spende un'unità elettrica per portare calore oltre un salto termico. Quanto calore porta dipende da quattro fattori verificabili. Quanto è freddo dove vivi.

Quanto calde devono essere acqua o aria. Come la casa trattiene il calore. E il costo della corrente rispetto al combustibile sostituito. Stringi il salto, e ogni unità porta dentro più calore.