La pompa di calore e' un dispositivo che serve a trasferire calore da un ambiente a temperatura piu' bassa ad un ambiente a temperatura piu' elevata. Essa e' realizzata mediante un ciclo termodinamico inverso e si differenzia da quella che si dice macchina frigorifera solo perche' il tratto utile del ciclo e' quello costituito dalla cessione del calore dal condensatore, laddove in una macchina frigorifera il tratto utile e' quello costituito dall’assorbimento di calore all’evaporatore. Un condizionatore autonomo, in particolare un condizionatore da finestra, si presta ottimamente ad agire da macchina frigorifera d’estate e da pompa di calore d’inverno. Nel periodo estivo lo scambiatore di calore internamente all’ambiente assorbe calore (si tratta dell’evaporatore del circuito), mentre lo scambiatore di calore esterno cede calore all’aria esterna (si tratta del condensatore del circuito).Nel periodo invernale la funzione dei due scambiatori di calore e' invertita e questo si ottiene invertendo il senso di percorrenza del fluido frigorigeno, mediante una valvola opportuna. Nella figura 1 e' rappresentato schematicamente un circuito frigorifero "solo freddo" funzionante cioe' solo per il condizionamento estivo. Nella figura 2 e' rappresentato un circuito con possibile inversione per senso di percorrenza del fluido, per funzionamento a pompa di calore ai fini di riscaldamento. Le figure 1 e 2 rappresentano rispettivamente i cicli nel diagramma pressioni-entalpie. Ciclo di raffreddamento normale: quando il termostato ambiente richiede raffreddamento parte il compressore, il gas refrigerante compresso va allo scambiatore esterno (condensatore) dove si condensa, lasciando il calore all’aria.Il refrigerante liquido fluisce attraverso un dispositivo di espansione nello scambiatore interno (evaporatore), poiche' la sua compressione e' stata ridotta dalla espansione, il liquido evapora nello scambiatore interno e cosi' facendo assorbe calore dall’aria interna. Il gas refrigerante e' quindi aspirato dal compressore ed il ciclo si ripete. Poiche' i compressori a pistone pompano fuori un po’ del loro olio lubrificante, una miscela di olio e refrigerante circola nel sistema; l’olio deve essere continuamente riportato per garantire la lubrificazione agli organi in movimento del compressore. Un filtro meccanico-essiccatore nel sistema asporta umidita' ed altri contaminanti. Ciclo di riscaldamento normale: una valvola di inversione, controllata da un termostato, controlla la direzione del flusso del refrigerante attraverso i due scambiatori (figura 2).Per il riscaldamento il flusso del refrigerante viene invertito; lo scambiatore esterno e' ora l’evaporatore, cosi' il refrigerante riceve il calore dell’aria esterna, e lo scambiatore interno e' il condensatore, cosi' il refrigerante rilascia il calore all’aria interna.Nel ciclo convenzionale il dispositivo di espansione e' un tubo capillare o una valvola di espansione termostatica. La sua funzione e' principalmente quella di regolare il flusso del refrigerante all’evaporatore in maniera tale che questo risulti il piu' possibile allagato, permettendo che al compressore arrivi gas alquanto surriscaldato. Il dimensionamento dell’organo di strozzamento, nei condizionatori d’aria a pompa di calore, e' senza dubbio la parte piu' delicata e difficile. E’ nota infatti l’incapacita' dell’equipaggiamento convenzionale di funzionare efficacemente sopra un grande campo di temperature esterne non solo in fase di riscaldamento ma anche in fase di raffreddamento. In effetti l’organo di strozzamento e' dimensionato in base alla differenza delle pressioni fra condensatore ed evaporatore e alla portata del fluido, dipendendo quest’ultima, per un determinato compressore, essenzialmente dalla temperatura di evaporazione. E’ chiaro che per un ciclo "solo freddo" l’organo di strozzamento dimensionato in relazione alle due temperature di funzionamento "normali" del ciclo; per temperature diverse l’organo "si adatta".Un’analisi particolare di questo "adattamento", specie se l’organo un capillare, dimostrerebbe che il ciclo funziona con una certa perdita di rendimento, in genere rapportabile nelle condizioni che piu' si incontrano nella pratica. Nella inversione del ciclo, cioe' nel funzionamento a pompa di calore, le due temperature di funzionamento sono assai diverse dalle precedenti. Il dimensionamento dell’organo di strozzamento risulta quindi un compromesso fra le due esigenze e deve essere accuratamente determinato. Del pari deve risultare da un compromesso il dimensionamento dei due scambiatori di calore per quanto concerne le loro superfici e i flussi d’aria, tenendo presente le opposte esigenze per cui nel funzionamento a macchina frigorifera si ha un maggior flusso termico nello scambiatore esterno che funge da condensatore, mentre nel funzionamento invernale a pompa di calore e' lo scambiatore interno che funge da condensatore e sopporta un maggior flusso termico. Comunque un sovradimensionamento dello scambiatore esterno, se necessario d’estate, puo' avere i suoi vantaggi anche nel periodo invernale, questo ai fini di ridurre le possibilita' di formazione di ghiaccio sulla superficie esterna. Un sovradimensionamento di detta superficie infatti riduce la differenza di temperatura fra il fluido evaporante ed aria che cede il calore, per cui l’impianto puo' funzionare senza interventi anche per temperature esterne di pochi gradi al di sopra dello zero centigrado. Nei climi dell’Italia Settentrionale tuttavia il pericolo di brinamento della batteria esterna deve essere tenuto in considerazione ed e' opportuno quindi predisporre un sistema di sbrinamento efficiente che garantisca un regolare funzionamento nel caso di temperature esterne vicino allo zero centigrado o inferiori. Volendo esaminare quantitativamente il funzionamento di un ciclo a pompa di calore, consideriamo la quantita' di calore che viene ceduta all’ambiente dal condensatore. Suddetta quantita' risulta essere la somma delle calorie assorbite dall’evaporatore e delle calorie assorbite dal compressore secondo la relazione:Qc = Qe + LTali quantita' di calore, ben s’intende, sono riferite ad 1 kg di fluido circolare. A differenza di un normale ciclo frigorifero a vapore, nel quale la fase utile e' quella di evaporazione, nel ciclo a pompa di calore, come si e' detto, la fase utile e' quella di condensazione. Pertanto possiamo anche in questo caso parlare di "coefficiente di effetto utile" della pompa di calore, espresso come rapporto tra la quantita' di calore ottenuta al condensatore ed il lavoro di compressione. E’ chiaro, ad ogni modo, che il riscaldamento a pompa di calore e' tanto piu' opportuno quanto piu' la differenza delle temperature fra l’ambiente esterno e l’ambiente interno e' ridotta. Per un corretto funzionamento della pompa di calore e' necessario che la temperatura all’evaporatore non sia troppo bassa, in particolare non deve essere minore di 0 C: e' auspicabile disporre di un ambiente esterno a temperatura variabile tra i +5 C e i + 12 C. Questo, invero, e' alquanto proibitivo in alcuni periodi invernali per le regioni settentrionali dell’Italia e dell’Europa, nelle quali si scende ben al di sotto dei valori suddetti. Si deve perci ricorrere a particolari accorgimenti sull’evaporatore: anziche' farlo funzionare in aria, l’evaporatore preleva il calore dall’acqua, garantendo cosi' un ininterrotto funzionamento invernale, oppure con sistemi integrativi, per esempio: resistenze elettriche, fatto salvo l’effetto utile. I problemi di realizzazione pratica di questi accorgimenti che presuppongono il ricorso ad un ambiente esterno ad acqua anziche' aria o a particolari sistemi di by-passaggio di aria e di riscaldamento della stessa, superano i limiti di questa trattazione il cui scopo e' stato quello di illustrare il funzionamento dei cicli a pompa di calore su climatizzatori autonomi da finestra e climatizzatori a ventilconvettori, mettendo in risalto a quali condizioni diviene economico l’impiego della pompa di calore.