Il settore industriale genera circa un terzo delle emissioni globali di CO2. In un periodo storico in cui il tema dell’ecosostenibilità è sempre più sentito e pressante, diventa più che mai necessario trovare un equilibrio tra necessità energetiche e salvaguardia dell’ambiente. Le pompe di calore industriali rappresentano in un certo senso una tecnologia rivoluzionaria e si pongono sempre più al centro della cosiddetta transizione energetica.
Quindi, come funziona una pompa di calore industriale e perché possiamo definirla più “green” rispetto ai classici impianti utilizzati?
Qual è la differenza tra pompa di calore industriale e domestica?
Per comprendere il motivo per cui le pompe di calore industriali siano sempre più sfruttate nei contesti produttivi iniziamo a fare un po’ di chiarezza dal punto di vista terminologico. In cosa si differenziano rispetto a quelle domestiche?
Il principio alla base del loro funzionamento è il medesimo: entrambe trasferiscono calore da una sorgente a temperatura più bassa verso un ambiente o un fluido che necessita di una temperatura più elevata. In sostanza, il ciclo termodinamico che le caratterizza è identico.
La differenza sta proprio nel contesto in cui le pompe di calore devono operare. In ambito domestico l’obiettivo principale è garantire comfort attraverso il riscaldamento o il raffrescamento degli ambienti. Alle funzioni appena citate, si può aggiungere anche la produzione di acqua calda sanitaria. Di conseguenza, i carichi termici sono relativamente contenuti, le temperature richieste sono stabili e le esigenze sono limitate alla normale vita quotidiana.
Nel settore industriale, invece, le pompe di calore per i capannoni non si limitano alla climatizzazione di grandi spazi. Vengono integrate in sistemi complessi e, spesso, supportano direttamente il processo produttivo. Ad esempio, possono essere utilizzate per il riscaldamento di fluidi tecnici, per supportare cicli di essicamento o distillazione, produrre vapore e molto altro ancora. Tutto ciò significa gestire potenze molto più elevate, funzionare per periodi prolungati e assicurare stabilità anche in condizioni operative impegnative.
Un’altra differenza importante tra pompe di calore industriali e residenziali riguarda la progettazione. Quelle utilizzate nelle abitazioni sono generalmente soluzioni standardizzate, mentre in ambito industriale vengono configurate in base alla sorgente termica disponibile e alle temperature richieste dall’applicazione finale.
Come funzionano le pompe di calore industriali?
La tecnologia delle pompe di calore industriali si fonda sul ciclo a compressione del vapore. Osserviamo nel dettaglio tutte le quattro fasi che lo contraddistinguono.
1. Evaporazione
L’elemento principale all’interno di una pompa di calore industriale è il refrigerante. Si tratta di un fluido con proprietà termodinamiche tali da evaporare e condensare a temperature controllate in funzione della pressione.
La sua capacità di cambiare stato, da liquido a vapore e viceversa, permette al sistema di assorbire e rilasciare grandi quantità di energia termica senza consumarla direttamente. Il refrigerante non viene mai “consumato”: si muove in un circuito chiuso e ripete continuamente lo stesso ciclo.
Dopo questo breve focus sul refrigerante, passiamo alla prima fase del ciclo, ovvero l’evaporazione. Qui, il refrigerante si trova a bassa pressione e a temperatura inferiore rispetto alla sorgente termica.
Quando entra in contatto con la sorgente di calore assorbe energia e si trasforma dallo stato liquido a quello gassoso. Durante l’evaporazione, la pompa di calore industriale non “crea” energia, ma recupera quella già presente nell’ambiente o nei processi produttivi.
2. Compressione
Il vapore generato viene aspirato dal compressore, il quale viene azionato da un motore elettrico e determina un aumento della pressione del refrigerante e di conseguenza della sua temperatura. Attraverso tale passaggio è possibile ottenere un vapore a temperatura più elevata rispetto a quella della sorgente iniziale. In altre parole, il compressore fornisce l’energia necessaria per “spingere” il calore verso un livello termico più alto.
3. Condensazione
Il refrigerante ad alta pressione entra nel condensatore e cede energia all’utenza finale: può trattarsi di acqua tecnica, fluido di processo o aria da riscaldare. Durante questo passaggio il refrigerante si raffredda e ritorna allo stato liquido. È in questa fase che si genera il calore effettivamente utilizzabile dall’impianto.
In ambito industriale questa energia può alimentare:
- riscaldamento di fluidi
- supporto a processi produttivi
- sistemi di produzione di vapore
- integrazione con altri impianti termici
4. Espansione
Una volta condensato, il refrigerante liquido attraversa una valvola di espansione. In questo punto la pressione si riduce rapidamente e diminuisce anche la temperatura. Il fluido torna così nelle condizioni iniziali, pronto per rientrare nell’evaporatore e ricominciare il ciclo. Il processo si ripete in modo continuo garantendo un apporto di energia e calore al capannone o al processo produttivo.
Le pompe di calore industriali possono operare a temperature molte elevate e proprio per questo motivo, oltre a soddisfare le esigenze di climatizzazione, possono supportare i processi operativi.
Quante tipologie di pompe esistono?
Le tipologie di pompe di calore variano a seconda del ciclo termodinamico utilizzato ed in base alla sorgente termica. Diamo un’occhiata alle principali configurazioni.
Configurazioni in base al ciclo termodinamico
Le variabili in base al ciclo termodinamico sono due: la pompa di calore a compressione del vapore (VCC) e quella a ricompressione meccanica del vapore (MVR).
La prima è la soluzione più diffusa in ambito industriale e segue esattamente le fasi esplicate nel paragrafo di questo articolo dedicato al funzionamento della pompa di calore industriale. La ricompressione meccanica del vapore si basa invece su un ciclo aperto.
Il vapore viene compresso meccanicamente per aumentarne pressione e temperatura. Così facendo, sarà possibile riutilizzarlo nuovamente nel ciclo produttivo. Tale soluzione è applicata laddove il vapore rappresenta un vettore energetico centrale e si vuole ottimizzarne l’impiego riducendo il fabbisogno di energia primaria.
Pompe di calore ad aria
Passiamo ora alle configurazioni relative alla sorgente termica. La prima riguarda le pompe di calore ad aria. A loro volta si suddividono in:
- aria-aria
- aria-acqua
In ambito industriale sono spesso impiegate per il riscaldamento e il condizionamento di grandi spazi come magazzini o capannoni. In questi contesti, i rooftop per il condizionamento di grandi spazi rappresentano una soluzione particolarmente efficace.
Pompe di calore geotermiche
Le soluzioni geotermiche sfruttano la stabilità termica del sottosuolo attraverso un circuito di tubazioni interrate. Il fluido refrigerante assorbe calore dal terreno e lo convoglia verso la pompa di calore. Il vantaggio principale di questa soluzione è rappresentato da una maggiore stabilità rispetto all’aria esterna, in quanto le temperature sono meno soggette alle variazioni stagionali.
Pompe di calore ad acqua
Le pompe di calore ad acqua possono utilizzare come sorgente:
- falde acquifere
- fiumi
- laghi
- mare
- acqua di processo o di raffreddamento
Nei contesti industriali la pompa ad acqua è particolarmente utile per il recupero del calore di scarto proveniente da acqua di raffreddamento o reflui industriali. L’acqua, grazie alla sua capacità termica, rappresenta spesso una sorgente stabile ed efficace.
I vantaggi delle pompe di calore industriali
Dopo aver osservato il funzionamento e le tipologie di pompe di calore industriali esistenti, stiliamo una lista dei principali vantaggi offerti da questi impianti.
Recupero del calore
Uno dei motivi principali della crescente adozione delle pompe di calore industriali è la possibilità di trasformare il calore di scarto in energia riutilizzabile. I flussi termici, che prima venivano dispersi, possono essere reindirizzati verso:
- riscaldamento di acqua tecnica
- alimentazione di processi produttivi
- supporto a sistemi esistenti di generazione del calore
Tutto ciò significa sfruttare al meglio l’energia già presente nel sito produttivo e al tempo stesso avere consumi più bassi.
Efficienza energetica
Analisi di settore hanno dimostrato che una pompa di calore industriale è in grado di produrre da due a cinque unità di calore per ogni unità di energia elettrica consumata. Al contrario, un classico impianto di riscaldamento opera con un rapporto uno ad uno.
Oltre ad una migliore efficienza energetica, l’assenza di combustione rispetto ai sistemi di riscaldamento tradizionali consente di ridurre le emissioni riducendo l’impatto sull’ambiente.
Controllo dei processi industriali
Tra i vantaggi delle pompe di calore industriali c’è anche un aspetto squisitamente operativo. Infatti, questi sistemi permettono di avere un controllo estremamente preciso sulle temperature che si traduce in:
- migliorequalità del prodotto finale
- ripetibilità del processo
- maggiore stabilità operativa dell’impianto
Integrazione tra caldo e freddo
In numerosi contesti industriali coesistono esigenze di raffreddamento e riscaldamento. La pompa di calore, per sua natura, può inserirsi in sistemi in cui il calore sottratto a un processo di raffrescamento viene riutilizzato per un’altra utenza termica. L’integrazione offerta dalle pompe di calore ottimizza i flussi energetici interni e riduce le dispersioni.
Transizione energetica
Una parte rilevante delle emissioni industriali è legata alla produzione di calore. Come abbiamo già sottolineato, le pompe di calore industriali permettono:
- diminuire la dipendenza da combustibili tradizionali
- valorizzare energia già disponibile
- migliorare l’efficienza complessiva del sito produttivo
Per tutti questi motivi si stanno trasformando da tecnologia “di nicchia” a soluzione sempre più centrale nelle strategie di ottimizzazione energetica delle imprese.
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