I rendimenti delle pompe di calore ad assorbimento superano il 100%: ecco come e perché

Una pompa di calore permette di ottenere rendimenti superiori al 100%. Come è possibile conseguire questo risultato, che va in apparente contraddizione con il secondo principio della termodinamica? La risposta è semplice: il rendimento complessivo della pompa dipende dalla somma di due rendimenti differenti, e in una pompa di calore, a fronte di un singolo input termico (la combustione del gas), si ottengono due effetti utili, ovvero il riscaldamento tramite combustione e il riscaldamento tramite sfruttamento di una fonte rinnovabile. Vediamo nel dettaglio come avviene tutto questo.

Caldaia a condensazione e pompa di calore: rendimenti a confronto

Il chimico francese Lavoisier sosteneva che in natura “nulla si crea, nulla si distrugge, tutto si trasforma”, ponendo l’accento sull’importanza – appunto – della trasformazione. Nulla si può creare, se non a partire da qualcosa che già esiste, e i fenomeni che apparentemente si generano “dal nulla” hanno in realtà una precisa base fisica, anche se magari non intuitivamente percepibile. Questo è ciò che ha sperimentato, ad esempio, anche il chimico fiammingo Jean Baptiste van Helmont, che nel Cinquecento portò a termine vari esperimenti sulla generazione spontanea tentando di creare la vita (topi, nella fattispecie) usando delle camicie sporche. Lui, che non disponeva di strumenti in grado di rendere visibili i batteri presenti sulle camicie, non aveva modo di sapere che le forme viventi che proliferavano tra i tessuti dipendevano proprio da questi microorganismi, e che non si generavano in modo spontaneo.

Allo stesso modo, quando si parla di energia, viene spontaneo chiedersi come è possibile che uno strumento come una pompa di calore permetta di ottenere efficienze superiori al 100%, anche se calcolate sul potere calorifico superiore.

La precisazione su quest’ultimo punto è molto importante: in Italia, infatti, i rendimenti vengono riferiti al potere calorifico inferiore, trascurando quindi una parte dell’energia che il combustibile comunque possiede e che è possibile recuperare (ad esempio con la condensazione dei fumi della combustione). In altri paesi, tra cui gli Stati Uniti, i rendimenti sono invece calcolati sul potere calorifero superiore, in modo da spingere i produttori di apparecchiature di riscaldamento e/o climatizzazione a sfruttare, ove possibile, tutto il contenuto energetico del combustibile, a pena di un rendimento sensibilmente inferiore rispetto ai prodotti concorrenti. Le caldaie a condensazione che in Italia si fregiano di rendimenti superiori al 100%, quindi, possono vantare tale risultato solo perché il rendimento è calcolato sul potere calorifero inferiore; se il valore fosse calcolato sul potere calorifero superiore, come negli USA, sarebbero tutte, per motivi termodinamici, al di sotto del 100%. Questo limite è di fatto insuperabile: non c’è alcun tipo di progresso tecnologico o ricerca che può permettere a una qualunque caldaia di conseguire risultati migliori.

La pompa di calore a gas, al contrario, è l’unico apparecchio termodinamico a fiamma diretta in grado di ottenere rendimenti termodinamici maggiori del 100% anche rispetto al potere calorifero superiore. Questo risultato dipende dal fatto che il rendimento è frutto della somma di due contributi energetici: uno di essi, essendo dovuto alla combustione, rispetta il secondo principio della termodinamica, ma l’altro no.

Il funzionamento di una pompa di calore

Una pompa di calore a gas ha al suo interno un bruciatore (studiato ad hoc per questa tipologia di apparecchio, ma pur sempre un bruciatore), simile nel principio a quello di una caldaia tradizionale (con o senza condensazione, a seconda del modello di pompa di calore), il cui rendimento è equivalente a quello delle caldaie di pari categoria.

In una caldaia, però, il bruciatore agisce direttamente sul fluido secondario (l’acqua dell’impianto), mentre in una pompa di calore agisce su un fluido refrigerante (una sapiente miscela di normalissima acqua e normalissima ammoniaca) il cui ciclo termodinamico è concepito in modo da farsi riscaldare a spese del calore di una sorgente naturale di energia, sia essa il calore dell’aria, dell’acqua di superficie o di un fluido riscaldato dal calore della terra.

I due rendimenti quindi vanno sommati, perché a fronte di un singolo input termico (la combustione del gas) gli effetti utili che si ottengono sono due: il riscaldamento tramite combustione e il riscaldamento tramite sfruttamento della fonte rinnovabile.

Tipologie di pompe di calore e calcolo dei rendimenti

L’ammoniaca evapora a -33°C, quindi il fluido refrigerante è in grado di recuperare calore da qualunque sorgente (aria, acqua, suolo) con temperatura superiore a questa soglia. Il calore recuperato sarà poco se la sorgente è fredda, ma andrà progressivamente a crescere via via che la temperatura della sorgente sale: per questo il rendimento complessivo di una pompa di calore acqua-acqua o geotermica è particolarmente elevato, dato che la sorgente ha di per sé temperatura elevata.

Per calcolare il rendimento di una pompa di calore a gas a condensazione, quindi, dobbiamo porre al 100% l’input termico dovuto al bruciatore, e andare a sommare il contributo della fonte rinnovabile, variabile in funzione della tipologia di fonte rinnovabile utilizzata, della sua temperatura e della temperatura di mandata all'impianto.

Facciamo qualche esempio: nel caso delle unità ad aria (GAHP-A) l’incidenza percentuale dello sfruttamento della sorgente rinnovabile con aria esterna a 7°C e acqua in mandata all'impianto a 35°C è pari al 65% (sul potere calorifero inferiore). Da cui si ottiene un rendimento complessivo del 165% in quelle condizioni di esercizio, con un contributo di energia rinnovabile (aerotermica, in questo caso) pari al 39,4%.

Il contributo di energia aerotermica è calcolato come rapporto tra l’energia rinnovabile recuperata (65% nel nostro caso) e il totale di energia fornita dalla macchina all'impianto (165% nel nostro caso). Quindi con un input termico di 25,2 kW otteniamo 41,6 kW (25,2 x 165%) disponibili per l’impianto recuperando 16,4 kW (25,2 x 65% facendo riferimento all'input termico oppure 41,6 x 39,4% facendo riferimento alla potenza disponibile all'impianto) dall'aria esterna.

Quindi, senza farsi confondere le idee dai numeri: il rendimento, sempre superiore al 100% per le pompe di calore a gas, esprime la quantità di energia effettivamente disponibile all'impianto a fronte di un input termico posto per convenzione al 100%, mentre la percentuale di energia rinnovabile recuperata si riferisce al rapporto tra la potenza dovuta alla sola sorgente rinnovabile e la potenza complessiva disponibile all'impianto.

Questo è il motivo per cui, senza aggirare alcuna legge della natura, ma anzi sfruttando al meglio le energie rinnovabili che la natura ci offre senza alcun costo, possiamo ottenere rendimenti sempre superiori al 100%, irraggiungibili per qualunque caldaia, anche se di nuova e rivoluzionaria progettazione.

Le pompe di calore a gas sono quindi la naturale e necessaria evoluzione delle caldaie tradizionali, con o senza condensazione, se si vuole progredire in direzione di una sempre maggiore efficienza degli impianti, senza dimenticare l’importanza della tutela dell’ambiente.