Pompe di calore: il sistema secolare oggi al centro della strategia energetica del Governo

Pompe di calore sono dispositivi che funzionano come un frigorifero al contrario, spostando il calore dall'aria o dal suolo all'esterno di un edificio al suo interno, attraverso la circolazione di un refrigerante. Nel caso di una pompa di calore ad aria, ad esempio, l'energia termica dell'atmosfera, sebbene possa essere più fredda dell'aria all'interno dell'edificio in questione, è comunque sufficientemente calda da far evaporare il refrigerante liquido in un gas. Questo gas viene quindi fatto passare attraverso un compressore, che aumenta la pressione del gas e allo stesso tempo ne fa aumentare la temperatura. Il calore del gas può quindi essere utilizzato per riscaldare l'edificio, mentre il refrigerante si raffredda e torna al suo stato liquido originale, consentendo al processo di ricominciare.



Le origini dei principi scientifici alla base delle pompe di calore possono essere fatte risalire all'Illuminismo scozzese del XVIII e all'inizio del XIX secolo.

Nel 1756, il chimico professor William Cullen dell'Università di Edimburgo diede la prima dimostrazione pubblica di refrigerazione artificiale.

Ha creato una piccola quantità di ghiaccio utilizzando una pompa per creare un vuoto parziale su un contenitore di etere dietilico, abbassandone il punto di ebollizione in modo tale che bollisse e assorbendo il calore dall'ambiente circostante nel processo.

Nonostante il successo del proof-of-concept, tuttavia, il processo di refrigerazione del Prof. Cullen non ha trovato applicazioni commerciali.



Quasi un secolo dopo, nel 1852, il matematico britannico William Thomson, barone Kelvin, sviluppò l'idea, proponendo un dispositivo in grado di pompare energia da una regione a bassa temperatura - diciamo, all'aperto - a una più calda bruciando carburante per fare il lavoro.

In questo modo, le pompe di calore possono estrarre calore da un ambiente più freddo senza violare la seconda legge della termodinamica, che postula che l'entropia aumenta sempre.

  Una pompa di calore

Le pompe di calore hanno una storia che risale a più di due secoli fa e ha una grande influenza britannica (Immagine: Getty Images)

  Uno schema di come funzionano le pompe di calore



Le pompe di calore funzionano come un frigorifero al contrario, spostando il calore dall'esterno verso l'interno (Immagine: Getty Images)

La prima vera pompa di calore fu rilasciata dall'ingegnere austriaco Peter von Rittinger quattro anni dopo, nel 1856, sebbene la chiamasse 'pompa a vapore'.

Come dice l'aforisma, la necessità è la madre dell'invenzione e la macchina è stata creata per fornire un mezzo economicamente valido alle saline di Ebensee per estrarre il sale dalla salamoia a fronte di una carenza di carburante locale.

Una volta riscaldato a 100°C per avviare il processo, questo recipiente a vapore chiuso ha sfruttato il calore latente del vapore acqueo bollito dalla salamoia per riscaldare ulteriormente la salamoia.

La chiave del sistema era un compressore meccanico, azionato da una ruota idraulica, che aumentava la pressione e la temperatura del vapore prima di immetterlo in una cavità sotto il recipiente contenente la salamoia.



In questo modo, l'acqua si accumulerebbe nella cavità mentre il sale precipitava nel recipiente soprastante.

La pompa a vapore presenta una notevole differenza rispetto ai suoi successori del sistema di riscaldamento domestico, in particolare nel modo in cui il vapore acqueo miscelato con la salamoia funge sia da refrigerante che da liquido da riscaldare.

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  William Cullen

Nel 1756 William Cullen diede la prima dimostrazione pubblica di refrigerazione artificiale (Immagine: dominio pubblico)

  William Thomson, il barone Kelvin

Lord Kelvin ha proposto un dispositivo in grado di pompare energia da una regione a bassa temperatura a una più calda (Immagine: dominio pubblico / i signori Dickinson, Londra, New Bond Street)

Promuovendo questo concetto con un compressore a pistoni bifase, il fisico svizzero Antoine-Paul Piccard dell'Università di Losanna e l'ingegnere Jules Weibel costruirono un sistema di compressione del vapore che fu installato nelle saline di Bex nel 1877.

Questo non è stato l'unico ruolo della Svizzera nella storia delle pompe di calore. Nel 1928, l'ingegnere slovacco Aurel Stodola costruì una pompa di calore a circuito chiuso che utilizzava l'acqua del Lago di Ginevra per riscaldare il municipio di Ginevra. Funziona ancora ai giorni nostri.

E tra il 1937 e il 1945, le aziende Sulzer, Escher Wyss e Brown Boveri hanno installato circa 35 pompe di calore in tutta la Svizzera, una mossa che ha contribuito a mitigare la carenza di carbone.

Uno di questi sistemi, la pompa Escher Wyss che riscaldava il municipio di Zurigo, è durato in servizio per 63 anni fino a quando è stato sostituito da un modello moderno nel 2001.

  La pompa di calore di Norwich

La prima pompa di calore su larga scala del Regno Unito è stata costruita a Norwich da John Sumner (Immagine: Facebook / Finn Geotherm)

Nel Regno Unito, la prima pompa di calore su larga scala è stata messa insieme da parti di recupero dall'ingegnere John Sumner per il dipartimento elettrico del Consiglio comunale di Norwich nel 1945.

Il sistema, che utilizzava l'acqua dell'adiacente fiume Wensum e un refrigerante a biossido di zolfo, aveva una potenza massima di 234 kW ed era in grado di far circolare l'acqua intorno all'edificio del dipartimento elettrico a 122–131F (50–55C).

Nel 1948, il signor Sumner installò anche 12 pompe di calore geotermiche nelle case per volere del ricco filantropo britannico Lord Nuffield e sviluppò un sistema simile che usò per riscaldare la propria casa all'inizio degli anni '50.

L'anno successivo, l'ingegnere costruì una pompa a gas a due stadi utilizzando compressori modificati dai motori aeronautici Merlin che utilizzavano il fiume Tamigi come fonte di calore per la Royal Festival Hall di Londra.

Come ha affermato l'idrogeologo David Banks: 'Il progetto da 2,5 MW è talvolta descritto come un fallimento, anche se non è sempre chiaro che il problema era che in realtà veniva erogato troppo calore'.

La pompa, ha spiegato, forniva “acqua calda fino a 82°C [180°F]”.

Nonostante l'efficacia di questi sistemi, tuttavia, non sono stati ampiamente duplicati nel Regno Unito a causa della relativa economicità dei combustibili fossili come il carbone e, successivamente, del petrolio e del gas del Mare del Nord, a differenza dei paesi nordici come la Svezia, dove lo sviluppo del nucleare i reattori negli anni '70 e '80 hanno facilitato la spinta verso metodi di riscaldamento efficienti e alimentati dall'elettricità.

Come scrisse l'autore britannico J. Gordon Cook sulla rivista Spectator nel 1948: “In questi giorni di progresso materiale, quando si rende alla scienza così tante parole d'onore come garanzia di prosperità, sembra incredibile che un dispositivo come il calore pompa avrebbe dovuto sfuggire all'attenzione che merita.