Pompe di Calore

La temperatura si può intendere come la concentrazione di energia termica in una data sostanza o in un dato spazio. Se molta energia è stipata in uno spazio o oggetto, è caldo. Se l’energia è relativamente dispersa, è freddo.

Una temperatura più alta significa che le molecole di una sostanza hanno più energia cinetica - cioè vibrano più velocemente in un solido, oppure si muovono più in fretta e si scontrano più spesso in un liquido o gas. Quando vibrano o si scontrano, percepiamo questa energia cinetica come energia termica (cioè calore). Quindi la temperatura può aumentare aggiungendo attivamente più energia da una fonte esterna oppure concentrando quell’energia stipando (più) molecole in uno spazio più piccolo.

Secondo le leggi fondamentali e universali della termodinamica, l’energia tende sempre a disperdersi o a spostarsi da aree ad alta concentrazione di energia verso aree a bassa concentrazione, finché tutto è in equilibrio e uguale (questo si chiama entropia - vedi Altri video). Ecco perché, nei giorni freddi, l’energia termica si disperde da una casa calda verso l’esterno freddo. Questo trasferimento di calore può essere rallentato con l’isolamento, ma le pompe di calore lo invertono del tutto grazie a un uso intelligente degli stessi principi e a uno speciale fluido pressurizzato chiamato refrigerante.

Ciò che rende i refrigeranti particolarmente utili qui è che possiamo cambiarne facilmente il punto di ebollizione.

Punti di ebollizione

Entriamo nella scienza dei punti di ebollizione. L’ebollizione è l’evaporazione di un liquido in un gas, quando le molecole acquistano abbastanza energia cinetica da liberarsi dalle forze intermolecolari che tengono unito il liquido. In un liquido, queste forze si rompono e si riformano continuamente, permettendo alle molecole di scorrere una accanto all’altra. Trasformare il liquido in un gas richiede abbastanza energia perché le sue molecole si separino del tutto. Questo non deve per forza avvenire esattamente a 100 °C (212 °F), come di solito succede all’acqua, e non deve nemmeno avvenire quando fa caldo…

Per esempio, se scaldi un bollitore in montagna, scoprirai che in realtà bolle a una temperatura più bassa. Questo perché la pressione atmosferica ad alta quota è più bassa che al livello del mare, il che permette alle molecole di disperdersi e sfuggire più facilmente, quindi serve meno energia perché l’acqua bolla. Al contrario, sotto una pressione più alta, le molecole d’acqua vengono schiacciate insieme e richiedono più energia - e quindi temperature più alte - per bollire e liberarsi. Quindi la pressione può cambiare il punto di ebollizione dell’acqua.

Calore sensibile vs calore latente

Di solito, quando riscaldi (o raffreddi) qualcosa come l’acqua, aggiungere (o togliere) energia ne cambia prima la temperatura, aumentando (o diminuendo) l’energia cinetica delle molecole e facendole muovere o vibrare più velocemente (o più lentamente). Questa energia si chiama calore sensibile ed è ciò che sentiamo quando qualcosa ci sembra caldo o freddo al tatto.

Ma ecco un altro trucco - quando l’acqua raggiunge il punto di ebollizione, la sua temperatura smette di salire. Invece, tutta quell’energia termica viene improvvisamente usata per rompere i legami che tengono insieme le molecole e separarle tra loro, trasformando l’acqua in vapore. La temperatura dell’acqua (o meglio, del vapore acqueo prodotto) non ricomincerà a salire finché tutta l’acqua non sarà evaporata. Lo stesso vale per sciogliere il ghiaccio da solido a liquido. Questo si chiama calore latente ed è un’enorme quantità di energia. Infatti, per far evaporare l’acqua serve 7 volte l’energia necessaria per portarla inizialmente al suo punto di ebollizione.

È per questo che l’aria sembra più calda nei giorni umidi anche quando fuori c’è la stessa temperatura (o perché le previsioni meteo dicono che c’è una certa temperatura, ma che se ne ‘percepisce’ un’altra) - il vapore acqueo aggiuntivo nell’aria contiene più energia termica rispetto all’aria secca (cioè contiene tutto questo calore latente extra).

È anche così che il sudore ti rinfresca: Quando evapora, assorbe un’enorme quantità di calore corporeo come energia latente e porta via quel calore dalla pelle. In condizioni umide, dove nell’aria c’è già molta acqua evaporata, questo processo rallenta, facendo sembrare le condizioni molto più calde.

Il contrario avviene quando l’acqua condensa dal vapore tornando liquida. Proprio come quando hai aggiunto calore per far bollire l’acqua, restituisce un’enorme quantità di energia quando condensa. In questo modo, quando qualcosa cambia fase - cioè bolle, fonde, condensa o congela - deve assorbire o rilasciare energia termica ‘latente’ mentre i legami si rompono o si formano.

Temperatura vs pressione

Quindi aggiungere o togliere calore cambia la temperatura, ma qualcosa di simile avviene quando cambi la pressione.

La pressione può essere applicata a solidi, liquidi e gas, ma i gas possono essere compressi facilmente perché c’è spazio tra le loro molecole, che sono relativamente disperse. Liquidi e solidi invece non possono essere compressi allo stesso modo, perché non puoi avvicinare le loro molecole più di quanto già siano. Per un liquido, applicare pressione rende invece più difficile che le molecole si separino in un gas. Un vapore è un tipo di gas che, sotto una temperatura critica, può essere compresso direttamente in un liquido senza raffreddarlo attivamente. Questo non è possibile per tutti i gas cioè tutti i vapori sono gas, ma non tutti i gas sono vapori.

Sappiamo che il vapore acqueo condensa più facilmente quando è sotto pressione, il che aiuta ad avvicinare le molecole tra loro. Ma con abbastanza pressione, puoi comprimere il vapore acqueo direttamente in un liquido senza doverlo raffreddare. Poi, quando il vapore condensa in un liquido, rilascia tutta la sua energia latente. Al contrario, a una pressione abbastanza bassa, le molecole liquide si disperdono senza aver bisogno di calore. Poi, quando si separano ed evaporano, assorbono energia latente dall’ambiente circostante.

Tuttavia, questo crea una specie di tiro alla fune. Quando comprimi gas e vapori, applicare pressione ne aumenta anche la temperatura. Schiacciare le molecole in uno spazio più piccolo (o più molecole nello stesso spazio) aumenta la concentrazione di molecole - le molecole sono più vicine, gli urti avvengono più spesso e più energia cinetica è concentrata in quello spazio.

E qui le cose si complicano - alzando la pressione, ottieni effetti contrastanti: le molecole del vapore vengono schiacciate insieme e quindi hanno più probabilità di condensare, ma questo alza anche la temperatura, rendendo meno probabile che condensino.

Il punto di ebollizione (o condensazione) del vapore è ora stato alzato dalla pressione, cioè servirebbero più energia e una temperatura più alta per mantenere il vapore come gas in queste nuove condizioni di alta pressione.

Quindi, se la sua temperatura non cambiasse, con la pressione aggiunta sarebbe molto più vicino a scendere sotto il nuovo punto di ebollizione e condensare.

Ma ovviamente, anche la sua temperatura è cambiata, aumentando come risultato della pressione. Quindi, mentre la pressione aumenta il punto di ebollizione, aumenta anche la temperatura del vapore, e questo aumento simultaneo della temperatura ostacola il processo di condensazione e mantiene il vapore allo stato gassoso sopra il punto di ebollizione in continuo aumento.

Per far condensare davvero il vapore, devi alzare ancora di più la pressione - finché l’aumento del punto di ebollizione supera il simultaneo aumento della temperatura - oppure raffreddarlo, sottraendo attivamente calore, permettendo a tutta quell’energia cinetica extra di dissiparsi e alla temperatura di scendere sotto il suo nuovo punto di ebollizione.

Questo mostra quanto temperatura, punti di ebollizione e pressione siano strettamente legati. Puoi costringere qualcosa a cambiare temperatura (o fase) 1) aggiungendo o togliendo attivamente energia termica sensibile (o latente) oppure 2) cambiando la pressione, che a sua volta può costringere il calore latente a essere assorbito o rilasciato. E pressurizzare un liquido o un gas ne alza il punto di ebollizione (cioè la temperatura alla quale evapora o condensa).

Ovviamente, tutto questo vale anche per altri composti oltre all’acqua: Ecco perché spruzzare una bomboletta di deodorante pressurizzato dà una sensazione di freddo sulla pelle - la rapida depressurizzazione mentre viene rilasciato permette alle molecole dell’aerosol liquido (e alla loro energia) di espandersi in un gas e fa crollare la sua temperatura.

Una pompa di calore non genera calore come fanno le caldaie, i generatori di aria calda o i riscaldatori elettrici tradizionali. Piuttosto, usa questi principi termodinamici per spostare il calore già presente contro il suo flusso naturale, cioè catturando energia termica di bassa qualità (cioè dispersa) dall'esterno e concentrandola dentro casa. Questo avviene usando un refrigerante in un sistema a circuito chiuso, azionato da quattro componenti chiave: un compressore, una valvola di espansione e due scambiatori di calore, chiamati evaporatore e condensatore. In realtà, si tratta esattamente degli stessi sistemi usati nei frigoriferi e nei condizionatori, solo che lavorano al contrario (cioè concentrano il calore dentro casa invece di espellerlo). Iniziamo guardando una pompa di calore aria-aria, che in pratica è un condizionatore al contrario:

• Passaggio 1: A pressione atmosferica normale, il refrigerante ha un punto di ebollizione estremamente basso, circa -50 °C (-58 °F). Il ciclo inizia con una miscela liquido-vapore molto fredda, a pressione bassissima e vicina al suo punto di ebollizione.
  Passa attraverso una serpentina chiamata evaporatore e inizia ad assorbire calore dall'aria esterna (spinta attraverso la serpentina da un ventilatore). Poiché il refrigerante è così freddo, assorbe calore anche quando fuori fa piuttosto freddo - perfino con temperature dell'aria sotto zero (°C)^† - purché l'aria sia comunque più calda del refrigerante stesso. Assorbendo calore, si scalda e, poco dopo aver superato il suo basso punto di ebollizione, evapora trasformandosi in gas. Così facendo, assorbe ancora più energia, cioè il suo calore latente.
• Passaggio 2: Ora il refrigerante è un vapore completamente gassoso a bassa pressione. È ancora relativamente fresco (al massimo alla temperatura dell'aria esterna), ma grazie al calore latente aggiuntivo che ha assorbito, contiene una notevole quantità di energia.
  Il gas refrigerante passa poi attraverso un compressore. Questo mette sotto pressione e comprime il gas, avvicinando le molecole e tutta la loro energia in uno spazio più piccolo (cioè le molecole si scontrano più spesso, quindi la loro energia cinetica aumenta), e la temperatura sale.
  È proprio questa compressione a scaldare il vapore. Ora il refrigerante è abbastanza caldo, di solito intorno ai 50-70 °C (120-160 °F) - abbastanza da restare un gas, nonostante ora abbia anche un punto di ebollizione più alto.
• Passaggio 3: Il refrigerante passa poi nell'unità interna e attraverso un'altra serpentina chiamata condensatore. Il refrigerante ora è notevolmente più caldo (la sua energia è più concentrata) dell'aria interna, quindi il calore si libera naturalmente e fluisce nella stanza. Così facendo, si raffredda. Non deve raffreddarsi molto prima di scendere sotto il suo nuovo punto di ebollizione, aumentato dalla pressione più alta nella serpentina del condensatore. Poi condensa facilmente di nuovo in liquido e rilascia quell'enorme quantità di energia latente - sufficiente a riscaldare un'intera stanza o casa.
• Passaggio 4: Il refrigerante ora è un liquido fresco (quasi a temperatura ambiente) ad alta pressione, ormai privo della maggior parte della sua energia termica, e passa attraverso una valvola di espansione che abbassa la pressione. Questo riduce la pressione nel tubo e permette al refrigerante di espandersi - così le sue molecole possono disperdersi e lasciare che l'energia rimasta si dissipi verso l'esterno. Questo riporta il refrigerante a una miscela liquido-vapore e lo rende improvvisamente molto freddo, pronto a ricominciare il ciclo e a tornare nell'evaporatore per raccogliere altro calore.

Questo mostra come la gestione di pressione, cambi di fase e calore latente possa spostare grandi quantità di energia, molta più di quanta se ne potrebbe spostare usando solo il calore sensibile tramite semplici gradienti di temperatura. Al contrario, l'acqua calda nel radiatore disperde in fretta il calore sensibile che senti (che, rispetto al calore latente, sappiamo essere relativamente poco), quindi per riscaldare un'intera stanza deve essere continuamente sostituita da altra acqua calda attraverso i radiatori. La portata del refrigerante in una pompa di calore può essere molto più bassa per fornire la stessa quantità di calore. Per fortuna, le pompe di calore possono anche essere abbinate a caldaie e impianti di riscaldamento ad acqua per trasferire calore all'acqua che circola nei radiatori, nel riscaldamento a pavimento e nell'impianto dell'acqua sanitaria (vedi Tipi di pompe di calore).

^† Nota: Il calore o l'energia termica sono presenti anche quando la temperatura è sotto 0 °C - sono solo molto dispersi. 0 °C è di per sé un riferimento arbitrario su una scala continua di temperatura (la scala Celsius), basata sul punto di fusione/congelamento dell'acqua a pressione atmosferica normale. Perciò, la scala Celsius può scendere sotto zero fino a numeri negativi.

Il vero ‘zero assoluto’ si basa su una scala assoluta dell'energia (la scala Kelvin), che indica la temperatura più bassa teoricamente possibile per qualsiasi composto, dove l'energia è al minimo assoluto. La scala Kelvin non scende sotto 0 K, che equivale a -273 °C, perché non si può avere energia negativa. A qualsiasi temperatura sopra questa, una pompa di calore può teoricamente funzionare. In pratica, le moderne pompe di calore possono estrarre energia da aria fredda fino a -20 °C (cioè 253 K). Se le prestazioni sono scarse con temperature superiori a queste, di solito dipende dal progetto o dall'installazione, non dalla tecnologia in sé.

Le pompe di calore usano l'elettricità per spostare il calore da un posto all'altro, invece di generarlo. Al contrario, i sistemi di riscaldamento tradizionali generano calore, tramite resistenza elettrica (‘riscaldamento resistivo’, usato nelle stufe elettriche) oppure bruciando combustibili fossili come carbone o gas in un generatore di aria calda o una caldaia.

Questo rende le pompe di calore molto più efficienti. Al massimo, un tipico generatore di aria calda o una caldaia a gas può raggiungere circa il 90% di efficienza - una parte dell'energia della combustione inevitabilmente sfugge con i fumi caldi mentre viene rilasciato vapore acqueo (sotto forma di energia latente non recuperata). Per i riscaldatori elettrici, l'elettricità della rete - prodotta bruciando combustibili fossili e trasportata dalle centrali attraverso trasformatori e miglia di linee di trasmissione - equivale solo a circa il 40% dell'energia chimica originale contenuta in quei combustibili fossili usati altrove.

Le pompe di calore, invece, consumano una quantità relativamente piccola di elettricità per far funzionare i ventilatori nelle unità interne ed esterne e per alimentare il compressore. Il refrigerante nel circuito cambia fase in un processo naturale e spontaneo - la pompa di calore crea solo le condizioni giuste perché avvenga. Quindi, una pompa di calore ben progettata e installata può spostare più di 3 volte l'energia che consuma in elettricità (cioè il 300%). In condizioni ideali (vedi Sistemi di riscaldamento), può arrivare a essere oltre 5 o fino a 8 volte più efficiente (500-800%).

Efficienza = L'energia in uscita (il calore che ottieni) ÷ L'energia o il combustibile in entrata (quello che paghi)

A seconda di dove vivi, i prezzi dell'elettricità sono di solito molto più alti di quelli del gas. Per esempio, nel Regno Unito l'elettricità costa circa 3 volte il gas. Ma dato che le pompe di calore possono funzionare con efficienze superiori al 300%, possono costare meno da usare rispetto alle caldaie a gas - soprattutto mentre il divario di prezzo elettricità-gas si riduce grazie al passaggio a reti e politiche più verdi, e il prezzo dell'elettricità scende.

L'opzione più economica ed efficiente è far funzionare le pompe di calore con elettricità rinnovabile. Ma anche se una pompa di calore è alimentata da elettricità prodotta con combustibili fossili, può comunque essere più efficiente ed economica dei sistemi di riscaldamento tradizionali. Una pompa di calore con un'efficienza di appena 2,5 potrebbe sfruttare solo il 40% dell'energia originale del gas naturale bruciato nella centrale elettrica, ma usando quell'elettricità per spostare 2,5 volte l'energia che consuma, porta quel 40% al 100% - e supera così persino l'efficienza del 90% ottenuta bruciando il gas sul posto.

Come l'efficienza di una pompa di calore si traduce in efficacia reale e costi di gestione dipende da:

• Dimensioni della casa: le case più grandi richiedono più energia per riscaldarsi.
• Isolamento: le case ben isolate trattengono il calore e permettono alle pompe di funzionare a temperature più basse ed efficienti.
• Progettazione e installazione del sistema: un'installazione scadente o unità più vecchie possono funzionare male e costare più di una caldaia, ma le unità moderne installate bene possono far risparmiare parecchio.

Esistono vari tipi di pompe di calore, ma tutte usano gli stessi principi di base. I tipi più comuni estraggono calore dall'aria:

• Le pompe di calore aria-aria sono in pratica sistemi di aria condizionata al contrario. Entrambi usano due scambiatori di calore a batteria alettata, in cui un ventilatore soffia aria su ogni batteria che contiene il refrigerante per assorbire o rilasciare calore. C'è pochissima differenza rispetto ai condizionatori, tranne che il refrigerante sposta il calore nella direzione opposta - nei condizionatori, l'evaporatore si trova all'interno per assorbire calore, mentre il condensatore è all'esterno per rilasciarlo.
  Le pompe di calore aria-aria possono riscaldare le stanze più in fretta e a volte essere reversibili per fornire raffrescamento. Qui, evaporatore e condensatore sono intercambiabili, e una valvola aggiuntiva inverte il flusso del refrigerante senza dover invertire il compressore. Questo può offrire anche i vantaggi dell'aria condizionata e della deumidificazione: La batteria dell'evaporatore assorbe calore dall'ambiente circostante e quindi rende molto freddo tutto ciò che le sta intorno - il vapore acqueo condensa dall'aria a contatto con la batteria, riducendo così l'umidità nella stanza.
  Sono più economiche e facili da collocare attorno ai mobili; però, in genere sono meno confortevoli negli spazi abitativi (possono essere rumorose, con forti getti d'aria e movimenti turbolenti dell'aria, oltre a superare e scendere ripetutamente sotto la temperatura desiderata), e rendono più difficile distribuire bene il calore in tutta la casa, richiedendo spesso più unità interne in stanze diverse, oppure un sistema di condotti per portare aria calda in tutto l'edificio. Inoltre, servirebbe comunque qualche forma di riscaldamento aggiuntivo per l'acqua calda sanitaria.
• Le pompe di calore aria-acqua usano una serpentina o uno scambiatore di calore a piastra metallica per trasferire calore dal refrigerante all'acqua che circola nei radiatori e nel riscaldamento a pavimento, oppure all'acqua nel serbatoio dell'acqua calda sanitaria (sono sistemi separati - non vuoi certo fare il bagno nell'acqua dei radiatori!). Questi sistemi si riscaldano più lentamente ma si raffreddano anche più lentamente. Perciò, sono adatti a un ambiente più confortevole e stabile. Questo permette anche di usare il serbatoio dell'acqua calda come forma di accumulo energetico. Però, sono molto più costosi e possono richiedere importanti interventi su tubature e radiatori (che occupano spazio sulle pareti e possono essere bloccati dai mobili). Inoltre, alcuni luoghi, come gli Stati Uniti, potrebbero non avere già installati impianti idronici.
• I sistemi combinati possono usare sia radiatori sia ventilconvettori, a seconda della stanza, ad es. radiatori nei bagni e unità ventilanti nelle altre stanze. Nel frattempo, i sistemi di recupero del calore possono usare il calore estratto dai sistemi di aria condizionata che normalmente verrebbe espulso all'esterno in estate e usarlo invece per riscaldare l'acqua calda sanitaria.

Le unità delle pompe di calore ad aria sono disponibili anche in diverse configurazioni:

• Le unità a blocchi separati sono state storicamente le più comuni, con uno scambiatore di calore all'interno e uno all'esterno. Il compressore e la valvola di espansione si trovano di solito nell'unità esterna per limitare il rumore e occupare meno spazio interno. Le tubazioni trasportano quindi il refrigerante dall'esterno all'interno, dove le unità possono essere collocate lontane tra loro per ottimizzare l'uso dello spazio.
• Le unità monoblocco sono oggi sempre più popolari. Di solito sono pompe di calore aria-acqua, con entrambi gli scambiatori di calore e l'intero circuito del refrigerante in un'unica unità esterna, mentre le tubazioni portano acqua calda ai radiatori interni. Questo evita la necessità di tubazioni del refrigerante costruite su misura che entrano ed escono dalla casa, risparmiando tempo e denaro e riducendo i rischi.

Le pompe di calore ad aria funzionano bene nella maggior parte delle condizioni, anche se sotto i -20 °C possono fare fatica. Proprio come i condizionatori possono deumidificare l'aria, in inverno l'acqua può condensare e congelare sulla batteria o sull'unità esterna, causando un accumulo di brina. Può essere facile da risolvere (ad es. i sistemi invertono automaticamente e temporaneamente il ciclo frigorifero per far sciogliere la brina) ma questo può ridurre l'efficienza media nel tempo (anche se esistono nuove tecnologie attive di sbrinamento o prevenzione della brina).

Le pompe di calore geotermiche sono in genere più efficienti ed efficaci alle basse temperature, perché le temperature del terreno sono più stabili e costanti rispetto a quelle dell'aria, soprattutto in inverno quando il riscaldamento serve di più. Usano un altro circuito chiuso di fluido circolante (di solito una miscela di acqua e antigelo) chiamato collettore, che assorbe calore dal terreno (o deposita calore se funziona al contrario per raffrescare) e trasferisce calore al refrigerante attraverso l'evaporatore. Esistono due tipi principali di collettori:

• Gli impianti orizzontali prevedono tubazioni posate in trincee poco profonde. Più le tubazioni sono distanziate (meno raggruppate), più calore possono estrarre, e quindi più sono efficienti. Questo riduce anche il rischio di estrarre così tanto calore da congelare il terreno (cosa che può essere molto dannosa). I collettori più efficienti coprono quanto più terreno possibile in un unico circuito continuo.
• Gli impianti verticali richiedono molto meno spazio e penetrano in profondità nel terreno (fin dove lo permette l'eventuale infrastruttura sotterranea esistente - servono indagini del terreno!). Sono disponibili in due configurazioni diverse:
• • Circuito chiuso - un pozzo profondo scavato con un unico lungo anello di tubazione, che viene poi riempito. Per una casa tipica possono servire diversi pozzi, a seconda della profondità di ciascuno.
  • I circuiti aperti sfruttano le falde acquifere, cioè usano direttamente l'acqua sotterranea come fluido di trasferimento del calore che passa nel circuito del collettore. Sono più efficienti (hanno un punto/barriera di trasferimento del calore in meno) ma richiedono più specializzazione e manutenzione (l'acqua sporca richiede una pulizia regolare dei filtri del sistema).

Le pompe di calore geotermiche dipendono spesso dall'acqua nel terreno per condurre e reintegrare il calore, cosa che dipende dalla porosità e dalla permeabilità del suolo. Un'opzione più semplice è estrarre il calore direttamente da un corpo d'acqua.

Le pompe di calore ad acqua possono essere ancora più efficienti e stabili delle pompe di calore geotermiche e usano circuiti chiusi o aperti allo stesso modo: usando un circuito chiuso separato di fluido del collettore che passa nell'acqua, oppure direttamente l'acqua della fonte (che di nuovo migliora l'efficienza ma richiede pulizie regolari). La velocità con cui l'acqua (e quindi il calore disponibile) si rinnova è importante - l'acqua corrente può essere più efficace dell'acqua ferma senza correnti attive che rinnovano le acque vicine. È anche meglio prelevare calore a monte e scaricare a valle l'acqua usata e impoverita di calore, per massimizzare l'efficienza ed evitare di far ricircolare acqua più fredda già usata.

Le pompe di calore geotermiche e ad acqua comportano costi iniziali di installazione molto più alti e richiedono accesso a spazio o acqua sufficienti, ma, grazie alla maggiore efficienza, possono portare maggiori risparmi sui costi di gestione nel tempo. Tuttavia, le pompe di calore ad aria sono migliorate enormemente e hanno colmato il divario - ora si dà meno importanza alla temperatura e alla stabilità della fonte di calore e più all'ottimizzazione della progettazione idronica e del sistema di riscaldamento stesso.

Sensori e controllo del sistema:

• Termostati intelligenti - possono aiutare a mantenere un riscaldamento costante modulando con cura la temperatura con piccoli aggiustamenti, invece di spegnere e riaccendere continuamente il riscaldamento.
• Compensazione climatica - il riscaldamento viene regolato in anticipo usando sensori che rilevano la temperatura esterna, prima che influenzi la temperatura dentro casa.

Temperature dell'acqua nel sistema idronico:

• Radiatori più grandi e serbatoi d'acqua più grandi possono contenere più acqua e quindi più energia termica a una certa temperatura. Questo significa che possono mantenere l'acqua a temperature più basse per accumulare la stessa quantità di calore di serbatoi o radiatori più piccoli (cioè a una densità termica inferiore). Questo riduce le differenze di temperatura tra l'acqua e ciò che la circonda, rallentando il trasferimento di calore. Anche se questo rallenta la velocità con cui il sistema riscalda casa, i radiatori più grandi offrono anche una superficie maggiore da cui rilasciano calore, compensando il trasferimento più lento. Questo aumenta anche la stabilità, fornendo calore in modo più costante e rallentando le perdite indesiderate di calore dai serbatoi e dalle tubazioni di collegamento, evitando così sprechi di energia.
  Inoltre, questo permette al sistema di riscaldamento di funzionare complessivamente con temperature di mandata più basse. Poiché il refrigerante deve essere più caldo dell'acqua perché il calore possa trasferirsi all'acqua, un'acqua più fresca permette di mantenere più bassa la temperatura obiettivo del refrigerante. La fonte di calore deve sempre essere più calda per favorire il trasferimento di calore, quindi una temperatura di mandata o del serbatoio più alta costringe una pompa di calore a funzionare a temperature maggiori, mentre temperature di mandata o del serbatoio più basse permettono anche al refrigerante di restare più freddo.
  Una temperatura obiettivo del refrigerante più bassa significa anche una differenza di temperatura minore rispetto alla fonte di calore esterna che la pompa di calore deve superare. Il compressore deve quindi fare meno lavoro per aumentare la pressione e la temperatura del refrigerante, riducendo il consumo di elettricità e migliorando l'efficienza.
• La stratificazione (cioè la formazione naturale di un gradiente di temperatura - o ‘termoclino’ - dentro il serbatoio d'acqua) può aiutare ad abbassare la temperatura dell'acqua che riceve calore dal refrigerante, aumentando così la velocità di trasferimento del calore o riducendo il bisogno di un refrigerante più caldo. Perciò, è meglio mettere la serpentina dello scambiatore di calore sul fondo del serbatoio, dove l'acqua più fredda e pesante resta sotto quella più calda.
  Per questo motivo, è meglio avere cilindri più alti e stretti che accentuano questo termoclino, e convogliare sul fondo del serbatoio l'acqua fredda che ritorna dai radiatori di casa insieme al resto dell'acqua fredda (a bassa pressione e velocità per evitare di rimescolare l'acqua già nel serbatoio).

Tubazioni e scambiatori di calore:

• Scambiatori di calore più potenti possono riscaldare l'acqua più velocemente o con differenze di temperatura minori in tutto il sistema. Per esempio, serpentine più lunghe o alettate hanno una superficie maggiore e possono quindi migliorare il trasferimento di calore. Però:
• • Se il percorso del flusso è troppo lungo o stretto, limiterà la portata del refrigerante e quindi la quantità di calore fornita. La pompa dovrà allora lavorare di più, aumentando la temperatura in ingresso necessaria dal refrigerante nella pompa di calore.
  • Se il diametro interno della serpentina è troppo ampio, la pressione calerà e il fluido scorrerà troppo lentamente, permettendo la formazione di uno strato isolante lungo il bordo del tubo che limiterà il trasferimento di calore.
  
  Questo vale anche per i tubi dell'acqua e le serpentine che arrivano ai radiatori e li attraversano. I tubi devono essere regolati e bilanciati con precisione per massimizzare il trasferimento di calore al radiatore ma ridurre al minimo la perdita di calore dalle tubazioni di collegamento.

(Materiale extra basato su informazioni di Technology Connections & Heat Geek)