Pompe di calore geotermiche

Una pompa di calore geotermica è un sistema centralizzato per il riscaldamento e/o raffreddamento che usa il terreno come scambiatore di calore. In particolare il terreno è una fonte di calore in inverno e un dissipatore di calore in estate. Le pompe geotermiche sfruttano il fatto che il terreno mantiene sempre (e un po' ovunque) una temperatura quasi costante (tra i 10 e i 16° nei tre metri superficiali). Come un frigorifero o un condizionatore d'aria, questi sistemi usano una pompa di calore per forzare il trasferimento di calore dal terreno.

Il nucleo della pompa di calore è un refrigeratore che funziona con un ciclo di compressione/espansione. Una pompa di calore, che scambia calore con il terreno, ha un rendimento molto più alto di uno che scambia calore con l'aria in quanto la temperatura del terreno è molto più stabile durante tutto l'anno, in particolare sotto i 7 metri di profondità dove a causa dell'inerzia termica è praticamente costante. I sistemi a pompa geotermica possono raggiungere efficienze del 300% - 600%. In teoria, il calore può essere estratto da qualsiasi fonte, non importa quanto freddo, ma una fonte più calda permette una maggiore efficienza.
Il funzionamento di una pompa di calore si basa sulla seconda legge della termodinamica, secondo la quale il calore non può spontaneamente fluire da una zona più fredda a una più calda. Per permettere questo flusso di calore è necessario fornire un lavoro.
In figura è mostrato uno schema semplificato di una pompa di calore con ciclo di refrigerazione a compressione di vapore: 1) condensatore 2) valvola di espansione, 3) evaporatore 4) compressore.

Il fluido di lavoro, allo stato gassoso, viene pressurizzato attraverso il compressore. Il fluido comprimendosi si scalda (ulteriormente) e in queste condizioni viene fatto passare attraverso uno scambiatore di calore (condensatore) da dove cede calore all'esterno e di conseguenza si raffredda. A questo punto il fluido refrigerante passa attraverso un dispositivo per abbassare la pressione (valvola di espansione). Il fluido che esce espandendosi si raffredda e viene fatto passare così da un secondo scambiatore (evaporatore) in cui il fluido si riscalda prendendo il calore dal suolo. Poi il ciclo si ripete.

In un tale sistema è essenziale che il refrigerante raggiunga una temperatura sufficientemente alta, quando è compresso, per permettere di scaldare l'ambiente. In pratica, questo significa che il refrigerante deve raggiungere una temperatura superiore all'ambiente attorno allo scambiatore di calore ad alta temperatura. Allo stesso modo, il liquido deve raggiungere una temperatura sufficientemente bassa dopo l'espansione per poter permettere di ricevere calore dal secondo scambiatore di calore (dal suolo). Maggiore è la differenza di temperatura, maggiore è la differenza di pressione necessaria, e quindi più energia è necessaria per comprimere il fluido. Così come per tutte le pompe di calore, il coefficiente di prestazione (quantità di calore trasferita per unità di lavoro fornito in ingresso) decresce all'aumentare della differenza di temperatura.
Nelle pompe di calore geotermiche il flusso del fluido può essere invertito per permettere di avere sia riscaldamento d'inverno che refrigerazione d'estate.