Produrre lo stesso calore di una caldaia tradizionale utilizzando la metà dell’energia? Si può, grazie alla caldaia a pompa di calore, uno dei sistemi di riscaldamento e refrigerazione più apprezzati in ambito domestico. Ma come funziona una pompa di calore? Quanto costa l’acquisto e l’installazione? Può effettivamente garantire un buon risparmio energetico?
Cos’è la Pompa di Calore?
Cos’è la pompa di calore? Senza voler essere troppo tecnici, è possibile spiegare il suo funzionamento molto semplicemente: si tratta di una macchina capace di estrarre e trasferire energia termica servendosi di diverse forme di energia.Il funzionamento di una pompa di calore è simile a quello di un frigorifero, ma invertito: mentre con il frigorifero il calore viene estratto dall’interno ed espulso all’esterno, la pompa di calore, in base allo stesso principio, fa esattamente il contrario. Per il riscaldamento invernale e l’acqua calda sanitaria, estrae calore da una fonte naturale (aria, acqua o terra) e lo trasporta all’interno dell’edificio.
Questo tipo di impianti si integra agevolmente con altre tecnologie rinnovabili, come ad esempio il fotovoltaico o il solare termico. Un impianto a pompa di calore permette un considerevole risparmio energetico, diminuisce i consumi in bolletta e aumenta il valore commerciale dell’immobile, migliorandone la sua classe energetica. Ma vediamo nello specifico come funziona e come è fatta la pompa di calore: il suo compito è quello di trasferire energia termica da un ambiente più freddo a uno più caldo. In seguito, il fluido rientra nuovamente nell’evaporatore e ricomincia il ciclo.
Come Funziona una Pompa di Calore?
La pompa di calore è una macchina elettrica in grado di trasferire calore da un ambiente a bassa temperatura a uno a temperatura più elevata. Per definirla si usa il termine “pompa” perché trasferisce il calore in modo simile a quanto una pompa idraulica fa con l’acqua.
Nel ciclo frigorifero di una pompa di calore, un gas (spesso denominato "freon") ha la capacità di assorbire calore dalla fonte naturale e poi, a seguito di una compressione che ne innalza la temperatura, cederlo all'impianto di riscaldamento.
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Il funzionamento di una pompa di calore è simile a quello di un elettrodomestico che utilizziamo ogni giorno: il frigorifero. L'unica differenza è che mentre il frigorifero estrae il calore dal suo interno per mantenerlo fresco e lo rilascia nell'ambiente, la pompa di calore estrae il calore dall'ambiente per riscaldare l'interno di una casa.
L'ambiente ci offre diverse fonti di calore che una pompa di calore può sfruttare: l'aria, il terreno e le acque di falda e, meno in alcuni casi, anche le acque di superficie, come laghi o fiumi. Queste fonti di calore sono disponibili gratuitamente e in quantità illimitata. Tuttavia, la loro temperatura di partenza è troppo bassa per poterle utilizzare direttamente per il riscaldamento degli ambienti o per la fornitura di acqua calda.
La pompa di calore sfrutta un processo termodinamico basato sul passaggio di fase del refrigerante e in particolare sulla stretta correlazione tra pressione e temperatura: il compressore aumenta la pressione del vapore del refrigerante e allo stesso tempo ne aumenta anche la temperatura. In questo modo il refrigerante, condensando, riesce a scaldare l’acqua dell'impianto portandola ad un livello termico soddisfacente per contribuire al riscaldamento dell'ambiente domestico e alla fornitura di acqua calda.
Struttura e Componenti di una Pompa di Calore
Il fluido refrigerante svolge un ruolo centrale nel funzionamento di una pompa di calore: si tratta di un fluido con un punto di ebollizione estremamente basso che subisce una serie di trasformazioni in 4 fasi all'interno dei diversi componenti del circuito chiuso del sistema. Di seguito, un'illustrazione del funzionamento di una pompa di calore durante il periodo invernale:
- Fase 1: All'interno dell'evaporatore, l'energia termica dell'ambiente (dall’aria, dall’acqua o dal sottosuolo) viene trasferita al fluido refrigerante per mezzo di uno scambiatore di calore. Questo provoca l'evaporazione completa del refrigerante che ha una temperatura inferiore dell'ambiente esterno.
- Fase 2: Nel compressore, il refrigerante - ora in stato gassoso - viene compresso e riscaldato da un compressore azionato elettricamente.
- Fase 3: Nel condensatore, il fluido refrigerante, ora in stato gassoso e riscaldato, viene sottoposto a condensazione e torna allo stato liquido. In questo processo, il calore viene estratto dal gas caldo attraverso un altro scambiatore di calore e trasferito all'accumulatore di calore del sistema di riscaldamento, alla temperatura di mandata desiderata. Questo calore viene usato per scaldare l'ambiente casalingo, per esempio riscaldando l'aria dei termoconvettori o l'acqua che scorre nelle tubazioni del sistema di riscaldamento a pavimento.
- Fase 4: All'interno dell'espansore, il fluido refrigerante passa attraverso la valvola e così si raffredda, tornando nuovamente a pressione e temperatura originali.
In una pompa di calore acqua glicolica/acqua o in una pompa di calore acqua/acqua, un circuito trasporta il calore ambientale dal terreno o dalle acque di falda alla pompa di calore. Nel caso della pompa di calore aria/acqua, un ventilatore assicura un apporto costante di calore ambientale alla pompa di calore.
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Pompa di Calore Monoblocco e Split: Qual è la Differenza?
Per le pompe di calore aria/acqua si sono affermati due sistemi fondamentalmente diversi tra loro: il sistema pompa di calore monoblocco e il sistema pompa di calore split. La differenza più grande tra queste due soluzioni è che in un'unità monoblocco tutti i componenti tecnici importanti per il processo di recupero del calore sono raccolti in un'unica unità, mentre con un sistema split sono distribuiti su due unità. Entrambi i sistemi presentano vantaggi e svantaggi specifici.
Pompa di Calore Monoblocco
Il sistema pompa di calore monoblocco è più semplice, in quanto raccoglie tutti i componenti in un'unica unità. Le pompe di calore monoblocco si posizionano all'esterno e sono ideali per chi non dispone di molto spazio all'interno dell'abitazione. Uno svantaggio invece è il potenziale congelamento dell’acqua di impianto in caso di climi molto rigidi.
Pompa di Calore Split
Uno dei vantaggi più importanti del sistema pompa di calore split è la sua massima flessibilità. I componenti possono essere posizionati in modo estremamente flessibile e non si presenta il rischio di congelamento dell'acqua dell'impianto. Uno svantaggio è rappresentato invece dal fatto che le tubazioni del fluido refrigerante devono essere installate da uno specialista dedicato e, a seconda della distanza tra l'unità esterna e quella interna e della quantità di refrigerante utilizzata, sono richiesti controlli regolari.
Tipologie di Pompe di Calore
Ogni tipologia di pompa di calore è diversa in base alla fonte che utilizza per produrre il calore e alla modalità attraverso la quale viene distribuito all’interno. Occorre sottolineare che una pompa di calore reversibile è in grado anche di raffrescare gli ambienti interni, oltre che a riscaldarli, è quindi la soluzione ideale per poter fornire comfort durante tutto l’anno.
Le pompe di calore si distinguono in base alle sorgenti energetiche utilizzate. Avremo perciò:
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- Pompe di calore aria-aria
- Pompe di calore aria-acqua
- Pompe di calore ad acqua
- Pompe di calore geotermiche
- Pompe di calore ibride
Le tipologie più comuni e più usate sono quelle aria-aria, aria-acqua e ibride.
Pompe di Calore Aria-Aria
Le pompe di calore aria-aria sono sicuramente quelle più conosciute e diffuse. Le ritroviamo anche nei classici split dei climatizzatori domestici, che danno la possibilità sia di riscaldare che di raffrescare gli ambienti. Questi sistemi sono costituiti principalmente da due unità, una interna (il climatizzatore vero e proprio) e quella esterna, in cui si trovano il compressore, lo scambiatore di calore e la ventola. Le due unità sono collegate da tubazioni all’interno del quale scorre un fluido vettore. In questi sistemi viene prelevata l’aria come sorgente termica e trasformata in calore o fresco in base alle esigenze stagionali. Questo sistema di riscaldamento preleva il calore dall’aria dell’ambiente esterno per trasferirlo all’interno. Come quelle aria-aria, anche le pompe di calore aria-acqua presentano il vantaggio di avere una fonte di energia facilmente accessibile a tutti.
Pompe di Calore Aria-Acqua
Le pompe di calore aria-acqua vengono usate per il riscaldamento, per il raffrescamento e per la produzione di acqua calda sanitaria e sono costituite generalmente da una pompa di calore associata ad un boiler di accumulo. Quest’ultimo serve per conservare al meglio il calore che viene prodotto dalla compressione del gas. Inoltre, questo sistema permette di ottenere calore dall’aria esterna anche a temperature molto basse. Le pompe di calore aria-acqua sono molto usate per alimentare i sistemi domestici di riscaldamento a bassa temperatura (come i radianti a pavimento) e ad alta temperatura (come i termosifoni).
Pompe di Calore ad Acqua
In questo caso il sistema ottiene calore dalle acque presenti nelle falde acquifere. Tale sistema presenta un vantaggio particolare, in quanto la temperatura dell’acqua prelevata dal sistema è più o meno stabile tra i 7 e 12 gradi centigradi. È comunque un sistema abbastanza complesso da realizzare, in quanto richiede uno un’analisi specialistica e approfondita del sottosuolo e comporta un investimento significativo. A differenza delle due precedenti pompe di calore, quelle acqua-acqua utilizzano come fonte termica l’acqua presente nel sottosuolo. Per questo è necessario che sia implementata nelle vicinanze di acqua di falda e perciò bisogna affidarsi a un esperto per effettuare un’analisi geologica del terreno per conoscere la sua stratigrafia.
Pompe di Calore Geotermiche
Il loro funzionamento è analogo a quello delle pompe di calore ad acqua, ma in questo caso preleva energia dal calore del sottosuolo invece che dall’acqua di falda. La pompa estrarrà calore da una sorgente naturale già di per sé tiepida e questo incide molto positivamente sull’efficienza della stessa. Questa tipologia è sicuramente più costosa in quanto richiede l’inserimento di tubazioni in profondità e perforazioni del terreno. La pompa di calore geotermica segue lo stesso principio della pompa di calore acqua-acqua. Questo sistema assorbe il calore dalla terra per poi trasferirlo in ambiente: viene prelevato il calore dal terreno con dei tubi che vengono riempiti di refrigerante o di acqua. Lo sviluppo dei tubi può essere in orizzontale o in verticale. Come per le pompe acqua-acqua, è bene consultare un esperto, soprattutto per conoscere le caratteristiche geologiche del sottosuolo e fare un’attenta valutazione dei costi di implementazione.
Pompe di Calore Ibride
Uno dei limiti delle pompe di calore per riscaldamento risiede nel fatto che, in assenza di condizioni climatiche più o meno stabili, si riduce l’efficienza per il riscaldamento d’ambiente e per la produzione acqua calda sanitaria. Proprio per questo in molti casi si preferisce accoppiare la pompa di calore con un ulteriore generatore di calore alimentato da un combustibile fossile. Si tratta del sistema a pompa di calore ibrido dove solitamente troviamo una caldaia a condensazione alimentata a gas metano (o a GPL) associata a una pompa di calore. L’adozione di una pompa di calore ibrida è consigliata in luoghi dove vi sono forti escursioni termiche. Infatti, grazie alla caldaia, il flusso dell’acqua viene regolato automaticamente in modo che la pompa di calore riceva acqua a temperature costanti e riducendo così l’energia necessaria per portarla alla temperatura d’esercizio richiesta.
Come Scegliere una Pompa di Calore
Ecco alcuni aspetti da considerare quando si valuta l’acquisto di una pompa di calore.
- La posizione geografica dell’abitazione e la presenza o meno di sbalzi di temperatura significativi: in questi casi, in zone con climi più miti (come in sud Italia), la soluzione più adatta sarà una pompa di calore aria-aria o aria-acqua. In questo modo si può coprire il fabbisogno energetico annuale per riscaldamento, raffreddamento e acqua calda sanitaria.
- Gli indici COP ed EER, ossia il Coefficiente di Prestazione Energetica (per riscaldamento) e il Rapporto di Efficienza Energetica (per il raffrescamento). Sono valori tecnici che rappresentano il rapporto tra energia resa (calore ceduto o sottratto all’ambiente) ed energia elettrica assorbita; più il COP/EER è alto e più la pompa di calore è efficiente.
Inoltre, è bene valutare l’impianto di distribuzione a cui si vuole abbinare la pompa di calore. Nel caso non si vogliano sostituire i radiatori esistenti, ad esempio, è bene valutare specifiche soluzioni tecnologiche, quali le pompe di calore ad alta temperatura, che possono portare l’acqua a temperature maggiori, senza perdere di efficienza.
Efficienza di una Pompa di Calore
L'efficienza di una pompa di calore è misurata calcolando il rapporto tra il calore a disposizione per riscaldare l'ambiente e l'energia elettrica consumata per ottenerlo. Maggiore è il rapporto, maggiore è l'efficienza della pompa di calore. A seconda della fonte di calore (aria, terra o acqua), un impianto di riscaldamento può produrre fino a 5 chilowattora di calore con 1 chilowattora di elettricità.
I fornitori di pompe di calore documentano il valore COP (Coefficient of Performance, coefficiente di prestazione) e/o un valore SCOP (Seasonal Coefficient of Performance, coefficiente di prestazione stagionale) per i loro sistemi. Come anticipato, questi valori mettono in rapporto la produzione di calore e l'energia elettrica da utilizzare per la produzione di calore. COP e SCOP sono valori determinati in condizioni di prova specifiche in laboratorio.
La bontà del rendimento stagionale dipende da molti fattori, tra cui la qualità costruttiva della pompa di calore, la zona climatica in cui opera la macchina ed il tipo di impianto termico, oltre che dalla corretta progettazione e posa in opera dell'impianto.
Incentivi Fiscali e Detrazioni
Finora abbiamo avuto modo di elencare una serie di vantaggi offerti dalla pompa di calore: dall’utilizzo di fonti di energia rinnovabile all’incremento dell’efficienza energetica, passando per la riduzione dei consumi e dei costi in bolletta.
- Ecobonus: è applicabile per tutti i sistemi di climatizzazione con pompa di calore ad alta efficienza, per portare in detrazione dall’Irpef o dall’Ires il 65% della spesa, per i successivi 10 anni. Questa detrazione per le ristrutturazioni edilizie è prevista per qualsiasi pompa di calore, anche non ad alta efficienza, purché finalizzata al risparmio energetico.
- Conto Termico: è un incentivo introdotto nel 2012 con lo scopo di sostenere l’incremento dell’efficienza energetica e la produzione di energia termica proveniente da fonti rinnovabili. Nel 2023 si parla più propriamente del conto termico 2.0, che entra in gioco per tutti i sistemi di climatizzazione a pompa di calore con coefficienti di prestazione tra 3,9 e 5,1, solo per sostituzione di impianti precedenti.
- Superbonus: per usufruire del Superbonus al 90% per l’installazione di una pompa di calore è necessario aver effettuato un doppio salto di classe energetica, così da godere della detrazione dall’Irpef nei successivi 5 anni.
Costi di una Pompa di Calore
Nel costo delle pompe di calore è incluso l’acquisto della pompa e la sua installazione. Va detto che questi dispositivi possono essere monovalenti, se rappresentano l’unico generatore di calore, o bivalenti, se l’impianto è supportato da un generatore per riscaldare. A questo sistema va abbinata una fonte alternativa, come una caldaia, che subentri nel momento in cui la pompa smette di svolgere la propria funzione.
I costi di acquisto e installazione di una pompa di calore, come visto, possono essere anche molto elevati. Ad esempio, quelle geotermiche assicurano la massima efficienza, ma allo stesso tempo richiedono costi di acquisto e installazione maggiori rispetto alle altre, in quanto le opere di perforazione del terreno e di disposizione delle sonde incidono molto sul prezzo. La pompa di calore aria aria, invece, ha costi decisamente inferiori, anche rispetto a quella ad acqua.
Vantaggi delle Pompe di Calore
E infatti uno dei vantaggi principali nell’uso di una caldaia a pompa di calore è quello di limitare al minimo il consumo di energia primaria da fonte fossile. Considerando che si possono usare per la climatizzazione estiva, il riscaldamento invernale e la produzione di acqua calda sanitaria, sono sicuramente un investimento accessibile ed efficiente, in quanto permettono un risparmio fino a 4 volte rispetto al riscaldamento elettrico tradizionale e fino a 3 volte rispetto al gas metano. Non è necessaria la combustione diretta di gas o altri materiali, ma è sufficiente la sola corrente elettrica per attivare il compressore. Ecco perché è conveniente installare questi sistemi in abbinamento a un impianto fotovoltaico: si ottimizza l’autoconsumo utilizzando l’energia elettrica prodotta dal fotovoltaico anche per alimentare la pompa di calore e quindi producendo riscaldamento e raffrescamento.
Tabella Comparativa Pompe di Calore
| Tipologia Pompa di Calore | Fonte Energetica | Vantaggi | Svantaggi | Costi |
|---|---|---|---|---|
| Aria-Aria | Aria esterna | Installazione semplice, costi inferiori | Efficienza ridotta con temperature molto basse | Bassi |
| Aria-Acqua | Aria esterna | Versatile (riscaldamento, raffrescamento, ACS) | Dipendenza dalla temperatura esterna | Medi |
| Acqua-Acqua | Acqua di falda | Temperatura stabile della fonte, alta efficienza | Necessità di analisi geologiche, investimento significativo | Alti |
| Geotermica | Calore del sottosuolo | Alta efficienza, temperatura stabile | Costi elevati di installazione (perforazioni) | Alti |
| Ibrida | Combustibile fossile e pompa di calore | Flessibilità, adatta a climi con forti escursioni termiche | Complessità del sistema | Medi-Alti |